A műholdak világűrbe juttatásához nagy teljesítményű rakétahajtóműre van szükség. A nagyobb hordozórakéták esetében már önmagukban az üzemanyagtartályok és a kémiai hajtóanyag tömege is meghaladhatja az 1000 kilogrammot. A már Föld körüli pályán keringő mesterséges műholdak helyzetének és pályájának módosítására ennél lényegesen kisebb tolóerejű, finoman szabályozható ionhajtóműveket alkalmaznak. Ezek nem kémiai reakció, hanem elektromos energia segítségével működnek, és általában xenont vagy kriptont használnak hajtóanyagként. A Messer ezeket a gázokat nagy tisztaságban, az egyedi műszaki specifikációk szerint kínálja.

A műholdakra az űrben észak–déli irányú pályaeltolódás hat, amelyet a Nap és a Hold gravitációs hatása okoz. Ez fokozatosan módosítja a műhold pályáját. Az eltérés korrigálásához és a kívánt pálya fenntartásához évente körülbelül 45–50 méter/másodperc sebességváltozásra van szükség. Az űr súlytalanságában az ilyen pályakorrekciókhoz nincs szükség nagy erőkre. Időről időre elegendő egy kis, pontosan adagolt tolóimpulzus a megfelelő pozíció beállításához.

Könnyű elektromos hajtómű a nehéz rakétahajtómű helyett

A rakéták nagy tömegű hajtóműveivel szemben az ionhajtóművek – különösen az úgynevezett Hall-effektusú hajtóművek – kicsik és könnyűek. Egy legfeljebb egytonnás műholdhoz tervezett hajtómű mindössze 1,5 kilogrammot nyom. Még a nagyméretű kommunikációs műholdak esetében is csupán néhány száz kilogramm hajtóanyagot tárolnak a gáztartályban. A pályakorrekciós manőverek során a hajtóművet alkalmanként csak néhány percre kapcsolják be, energiaellátását pedig rendszerint ugyanazok a napelemek biztosítják, amelyek a műhold vagy űrszonda elektromos rendszereit is táplálják.

Az ionhajtóműben kis mennyiségű gázhalmazállapotú hajtóanyagot ionizálnak. Ezután elektromos mező segítségével az ionokat akár 400 000 kilométer/órás sebességre gyorsítják fel, és a kivezetőnyíláson keresztül az űrbe irányítják őket. Az ennek hatására létrejövő ellenirányú tolóerő idézi elő a kívánt pálya- vagy helyzetváltozást. A szükséges impulzus elérése után a hajtóművet ismét kikapcsolják.

Ezt a hajtási elvet nemcsak műholdaknál, hanem tudományos célú űrszondáknál is alkalmazzák, hogy az űr távoli régióiba is eljuthassanak. Mindkét esetben alapvető követelmény, hogy a korlátozott mennyiségű gázkészlet akár többéves üzemeléshez is elegendő legyen.

Ideális hajtóanyag

A nemesgázok közül a xenon különösen alkalmas az ionhajtóművek meghajtásárara, ezért a mai műholdak és űrszondák többségében ezt használják. A kripton alkalmazása eddig jóval kevésbé volt elterjedt, ez azonban a jövőben megváltozhat.

A kezdetben kísérleti jelleggel vizsgált fémekkel ellentétben a gázokat nem kell előzetesen elpárologtatni. Emellett környezetileg semlegesek és könnyen kezelhetők. Az ionhajtás kiemelkedően hatékony: xenon alkalmazásával a fajlagos impulzus több mint hatszorosa lehet egy termikus rakétahajtómű fajlagos impulzusának.

Mindkét nemesgáz egyetlen természetes forrása a Föld légköre. A belélegzett levegőben csak nyomokban vannak jelen, azonban a kripton koncentrációja körülbelül 1 ppm, vagyis több mint tízszerese a xenon 0,09 ppm-es koncentrációjának. Emiatt a kripton kinyerése egyszerűbb és gazdaságosabb. A xenon nagyobb atomtömege révén azonos tartálytérfogat mellett nagyobb tolóerőt tesz lehetővé. Ez az előny azonban az újabb hajtóműtípusok növekvő hatásfokának köszönhetően egyre kisebb jelentőségű. Jó példa erre a SpaceX Starlink műholdrendszere, amelynek műholdjainál kriptont is alkalmaztak hajtóanyagként.

A gázminőség biztosítja a hatékony működést

Az ionhajtómű hatásfokát többek között az elektronok előállítására szolgáló, izzó fémszál állapota is befolyásolja. Ez az alkatrész érzékenyen reagál a különböző molekulák jelenlétére, különösen az oxigén és az oxigéntartalmú vegyületek válthatnak ki nem kívánt reakciókat a felületén. Ezért a hajtóanyagként szolgáló gáznak szigorú minőségi követelményeknek kell megfelelnie, amelyeket a hajtóművek gyártói rendkívül pontosan meghatároznak.Ugyanakkor az előírások gyártónként és hajtóműtípusonként jelentősen eltérhetnek. A gáz tisztasága mellett a gázban nyomokban visszamaradó szennyeződések összetétele is számít. Az ionhajtómű teljesítményére gyakorolt hatás ugyanis döntően a maradék molekulák típusától és mennyiségétől függ.

A Messer két, csökkentett szennyezőanyag-tartalmú gázt kínál ionhajtóművekhez: Xenon 5.0 és Kripton 5.0 gázokat. Ezeket a minőségeket kifejezetten erre az alkalmazásra fejlesztették ki, és lehetővé teszik, hogy a hajtómű hosszú távon is magas hatásfokkal működjön. A gázok előállítási és minőségellenőrzési folyamatait gondosan az ionhajtóművek speciális követelményeihez igazították. A Messer előírásai túlmutatnak az 5.0 tisztasági fok általános követelményein, amely az adott gáz legalább 99,999 térfogatszázalékos tisztaságát jelenti: a fennmaradó nyomnyi szennyeződések összetételére és mennyiségére is különösen szigorú követelmények vonatkoznak.

Minőségellenőrzés gáztól a palackig

Mivel ez a két nemesgáz rendkívül kis koncentrációban van jelen a légkörben, gazdaságos előállításukcsak nagykapcitású levegőszétválasztó üzemekben (ASU-k, Air Separation Units) lehetséges. A Messer számos ilyen üzemet működtet Ázsiában, Európában és Amerikában, ezáltal a világ különböző régióiban is folyamatos ellátást tud biztosítani.

A minőségbiztosítás első lépései már a levegőszétválasztó üzemben megkezdődnek. A nemesgázok leválasztását további tisztítási folyamatok követik, amelyek során tovább csökkentik a visszamaradó idegen anyagok mennyiségét. Ezek közé tartozik többek között az oxigén, a hidrogén, a metán, a szén-monoxid és a szén-dioxid, valamint a nedvesség. Ezzel párhuzamosan a hajtóművekhez szállított gázok palackjai többlépcsős kezelési folyamaton mennek keresztül, hogy az elért tisztaság a kiszállításig megmaradjon.

A palackok különösen kiváló minőségű rozsdamentes acélból készülnek, rendkívül sima, elektropolírozott belső felülettel. Ez segít megakadályozni a levegő páratartalmából származó vízmolekulák esetleges megtapadását. Ezenfelül a palackokat töltés előtt nagytisztaságú nitrogénnel öblítik át. Az öblítés során lézerfény-abszorpciós eljárással meghatározzák az esetlegesen jelen lévő szilárd részecskék mennyiségét és méretét. A palackokat csak akkor használják fel, ha megfelelnek a szigorúan meghatározott határértékeknek. A minőségellenőrzés része a szelep vizsgálata is annak biztosítására, hogy a csatlakozó zsír- és olajmentes legyen. A palack tanúsítványa tartalmazza a palack méreteit, valamint a kiszállítás előtti állapotáról készült fényképeket. Minden releváns alkatrészt részletes dokumentációban rögzítenek.

Átfogó dokumentáció és egyedi megoldások

Az öblítőgáz eltávolítását követő töltést dokumentált szabványos működési eljárás szerint végzik. A töltést követően a gáz minőségét ismét ellenőrzik, vagyis abban az állapotban is, amelyben a felhasználóhoz eljut. Ehhez a Messer hővezetési detektorokkal felszerelt gázkromatográfot alkalmaz, amelyet kifejezetten a nemesgázok elemzésére kalibráltak. A mérési eredményeket a minőségi tanúsítványban is dokumentálják.

Az ionhajtóművek gyártói és felhasználói az egyes Hall-effektusú hajtóműveikhez egyedi műszaki követelményeket határoznak meg. A Messer kínálatában ezért a standard termékek mellett az adott specifikációknak megfelelő, egyedi megoldások is szerepelnek, melyekhez a vonatkozó előírásoknak megfelelő dokumentáció tartozik. A szakértői csapat személyes kapcsolattartásra és egyéni tanácsadásra épít annak érdekében, hogy a szállított gázok minősége és specifikációja a lehető legpontosabban az ügyfél és az alkalmazás egyedi követelményeihez igazodjon.

KÉRDÉSE VAN? VEGYE FEL VELÜNK A KAPCSOLATOT!