Insinyur MIT sedang mengembangkan sistem propulsi pesawat ruang angkasa baru yang menggabungkan kekuatan roket kimia tradisional dengan efisiensi dan presisi pendorong listrik.
Teknologi ini dapat memberikan fleksibilitas yang lebih besar kepada satelit kecil di luar angkasa. Daripada mengandalkan sistem bahan bakar terpisah untuk berbagai jenis manuver, pesawat ruang angkasa masa depan dapat menggunakan pendorong tunggal untuk melakukan gerakan cepat dan penyesuaian yang lambat dan sangat terkontrol.
Inti dari pendekatan ini adalah bahan bakar khusus yang bekerja dengan sistem propulsi kimia dan listrik. Hingga saat ini, teknologi ini biasanya memerlukan pendorong dan perangkat keras terpisah, sehingga menambah bobot dan kompleksitas.
“Jika Anda dapat memiliki tenaga penggerak kimia dan listrik dalam satu paket kecil, itu adalah yang terbaik dari kedua dunia,” kata Amelia Bruno, mantan rekan pascadoktoral di Departemen Penerbangan dan Astronautika (AeroAstro) MIT. “Ini membuka pintu bagi satelit-satelit kecil untuk melakukan lebih banyak ilmu pengetahuan, lebih banyak pengamatan, dan misi yang lebih menarik, semuanya pada platform yang lebih kecil dan lebih murah.”
Bruno adalah penulis utama studi baru yang diterbitkan di Jurnal Propulsi dan Tenaga. Penelitian menunjukkan bahwa “monopropelan hijau” yang awalnya dikembangkan oleh Angkatan Udara AS untuk penggerak kimia juga dapat berhasil menggerakkan miniatur pendorong listrik yang disebut pendorong elektrospray.
Menggabungkan propulsi ruang kimia dan listrik
Pendorong elektrospray adalah mesin roket kecil, seukuran uang receh. Mereka menggunakan medan listrik untuk mengisi partikel menjadi propelan cair, kemudian mengeluarkan partikel tersebut ke luar angkasa, menciptakan daya dorong.
Pendorong ini sangat hemat bahan bakar dan cocok untuk manuver bertahap dan presisi. Misalnya, mereka dapat secara perlahan mendorong pesawat ruang angkasa melalui perjalanan antarplanet yang jauh dengan konsumsi bahan bakar yang sangat sedikit.
Propelan kimia memiliki tujuan yang berbeda. Mereka menghasilkan semburan daya dorong yang kuat yang memungkinkan pesawat ruang angkasa dengan cepat berakselerasi, melambat, naik, turun, atau mengubah posisi.
Dengan mengidentifikasi propelan yang mampu menggerakkan kedua sistem, peneliti MIT yakin mereka dapat memperluas kemampuan satelit kecil secara signifikan.
Tim tersebut saat ini bekerja sama dengan NASA dalam misi Green Propulsion Dual Mode, sebuah CubeSat seukuran tas yang dilengkapi dengan satu pendorong kimia dan empat pendorong elektrospray. Semua akan mengambil bahan bakarnya dari satu tangki. Misi ini akan menjadi upaya pertama untuk menguji sistem propulsi mode ganda jenis ini pada pesawat ruang angkasa kecil.
Jika berhasil, teknologi ini dapat membantu satelit kecil menjelajah jauh melampaui orbit bumi.
“Kami dapat mengirim CubeSat ke Mars, atau ke sabuk asteroid, di mana mereka dapat melakukan perjalanan secara perlahan, menggunakan pendorong elektrospray,” kata Paulo Lozano, salah satu penulis penelitian dan Profesor Aeronautika dan Astronautika Miguel Alemán Velasco di MIT. “Anda kemudian dapat menggunakan pendorong kimia untuk bergerak cepat dan memeriksa fitur-fitur menarik. Anda dapat memiliki lebih banyak fleksibilitas untuk melakukan lebih banyak hal.”
Mengapa propelan cair ionik itu penting
Laboratorium Lozano mengembangkan, memproduksi dan menguji sistem propulsi electrospray untuk satelit mulai dari kotak makan siang hingga koper kecil.
Dibandingkan dengan pesawat ruang angkasa yang lebih besar, satelit kompak ini jauh lebih murah untuk diluncurkan. Namun ukurannya yang lebih kecil memerlukan sistem propulsi yang sama kompaknya.
Pendorong elektrospray memenuhi persyaratan ini dengan baik. Perangkat yang dibuat di lab Lozano berukuran sebesar thumbnail. Setiap pendorong berada di atas tangki yang berisi propelan cair ionik. Saat dihubungkan ke baterai, muatan listrik dialirkan ke ion-ion yang terkandung dalam cairan. Partikel bermuatan ini kemudian dikeluarkan melalui lubang kecil di propelan, sehingga menghasilkan daya dorong.
Selama dekade terakhir, kelompok Lozano telah menguji banyak model dalam kondisi pengoperasian berbeda dan dengan berbagai bahan bakar cair ionik.
“Cairan ionik sangat stabil dan bahkan dapat tetap berbentuk cair di ruang angkasa, hal yang hanya dapat dilakukan oleh sedikit material,” jelas Bruno. “Dan pada dasarnya ini adalah lautan ion, itulah sebabnya kami mendasarkan teknologi kami pada lautan tersebut, sehingga kami dapat mengekstraksi ion-ion tersebut dalam semprotan listrik.”
Peneliti MIT juga berkolaborasi dengan Angkatan Udara AS, yang mengembangkan bahan bakar cair ionik baru yang dikenal sebagai propelan Advanced SpaceCraft Energetic Non-Toxic (ASCENT). Pendorong ini awalnya dirancang untuk sistem propulsi kimia.
ASCENT diciptakan sebagai alternatif yang lebih aman untuk hidrazin, bahan bakar sangat beracun yang biasanya digunakan di banyak sistem propulsi pesawat ruang angkasa.
“ASCENT merupakan campuran cairan ionik,” jelas Bruno. “Dan kami berkata, hei, ini yang biasa kami gunakan. Secara teoritis, ini akan berhasil. Mari kita lihat caranya.”
Menguji ASCENT pada pendorong electrospray
Untuk mengevaluasi bahan bakar, Bruno, Lozano, dan mantan mahasiswa pascasarjana MIT Matthew Corrado melakukan serangkaian eksperimen menggunakan pendorong electrospray bertenaga ASCENT.
Setiap pendorong dipasang pada tangki kecil berbentuk kubus seukuran batu bata LEGO. Para peneliti mengisi setiap tangki dengan satu gram ASCENT, cairan dengan kekentalan mirip baby oil.
Pendorong dipasang di sisi berlawanan dari CubeSat yang diposisikan pada platform uji levitasi magnetik khusus yang dikenal sebagai MagLev. Fasilitas ini terletak di dalam ruang vakum besar yang mampu menciptakan kembali kondisi serupa dengan yang ditemukan di luar angkasa.
Selama pengujian, para peneliti memvariasikan tegangan yang disuplai ke pendorong dari jarak jauh. Semprotan listrik yang dihasilkan menghasilkan kekuatan yang cukup untuk memutar CubeSat seperti gasing yang mengambang.
Dengan mengukur daya dorong yang dihasilkan dan mengoperasikan pendorong secara terus menerus selama jangka waktu hingga 100 jam, tim dapat menilai kinerja dan efisiensi bahan bakar.
Hasilnya menunjukkan bahwa ASCENT berhasil menggerakkan pendorong electrospray. Bahan bakar tersebut memiliki kinerja yang setara dengan propelan cair ionik konvensional yang biasanya digunakan dalam sistem propulsi listrik.
“Dibandingkan dengan pendorong elektrospray biasa, ASCENT dapat memberikan kinerja serupa dalam hal daya dorong,” jelas Bruno. “Sekarang setelah kami mengetahui bahwa pendorong kami bekerja dengan ASCENT, kami dapat mulai memikirkan cara untuk menjadikannya lebih baik lagi.”
Misi NASA akan menguji tangki bahan bakar bersama di luar angkasa
Dengan ASCENT yang kini mampu mendukung penggerak kimia dan listrik, para peneliti membayangkan pesawat ruang angkasa masa depan yang membawa tangki bahan bakar tunggal untuk menggerakkan kedua sistem tersebut.
Konsep ini akan segera menjalani uji nyata pertamanya sebagai bagian dari misi Green Propulsion Dual Mode NASA, yang dijadwalkan diluncurkan pada bulan November.
“Ini akan menjadi pertama kalinya sebuah satelit memiliki tangki propelan bersama,” kata Lozano.
Selain eksplorasi luar angkasa, teknologi ini juga dapat meningkatkan misi yang lebih dekat ke Bumi. Lozano mengutip pemantauan cuaca dan iklim sebagai penerapan potensial.
“Misalnya badai sedang mendekat dan Anda ingin mengerahkan konstelasi satelit kecil untuk mengamati suatu lokasi,” katanya. “Anda dapat memilih untuk mengirimnya dengan cepat atau lambat tergantung pada sifat pengamatannya. Dan satu-satunya cara untuk melakukannya adalah dengan memiliki dua sistem propulsi, yang sekarang memungkinkan.”
Penelitian ini sebagian didanai oleh NASA.
