Revolutionerande millimetermotor från Uppsala

Raketmotorer är monster som vräker ur sig kaskader av glödheta gaser, och ve den eller det som råkar komma i vägen. Åtminstone är det en rätt typisk bild av en raketmotor. Men de raketmotorer som Kirk Williams på Uppsala universitets Ångströmlaboratorium vill bygga lever inte riktigt upp till den bilden.

Spjutspetsforskning

Det Kirk Williams sysslar med är spjutspetsforskning inom sitt område. Om inte annat fick han besked om det när försvarade sin avhandling i Uppsala den 24 mars.

– Kirks opponent, Professor Joseph Pegna från Ecole Polytechnique i Montreal, trodde att HAN var först med att göra en applikation av den här tekniken, säger Johan Köhler, som varit en av Kirks handledare. Men han berättade att när han läste avhandlingen insåg han att "tusan, Kirk slog mig". Så Kirk är först i världen att ta en komponent gjord på detta sätt till en faktisk tillämpning, och en kommersiell tillämpning dessutom, säger Johan Köhler, inte utan stolthet i rösten.

Kirk Williams bygger mikrospolar med hjälp av laserassisterad, kemisk deponering ur ångfas. Det betyder att han har lämpliga molekyler i gasform i en kammare och använder en laserstråle för att ur ångorna fälla ut materialet som bildar spolarna. Laserstrålen får fokusera på ytan av det fasta materialet som håller på att byggas upp. Energin i laserstrålens fokus sönderdelar gasmolekyler, och de delar som är lämpliga kan då fastna på ytan av den begynnande spiralen och bygga upp den. Genom att hela tiden långsamt flytta laserstrålens fokus går det att bygga upp en hel spiral.

Tråden som bygger upp spiralen är tunnare än ett hårstrå och består endera av rent kol eller av volframbelagt kol. Själva spiralen är upp till en millimeter lång och en kvarts millimeter tjock. De här mikrospolarna kan sedan fungera som delar i pyttesmå raketmotorer.

Flera användningsområden

Det kommersiella intresset kommer från det uppsalabaserade företaget Nanospace, som sysslar just med framdrivningssystem i mikroskala för satelliter. Nanospace huvudägare är Rymdbolaget, och företaget är en spin-off från Ångström rymdtekniskt centrum, där bland annat Johan Köhler och Kirk Williams huserar. Nanospace arbetar även med ESA och andra intressenter.

Användningsområden för mikromotorer är exempelvis att vrida satelliter i rymden – peka dem i rätt riktning för vidare färd eller peka in ett teleskop mot rätt område i rymden.

– Man kan även tänka sig att den här typen av motorer kommer att användas på satellitsystem som ESA:s Darwin-projekt, säger Johan Köhler. Där ska man formationsflyga med ett antal satelliter och behöver kunna korrigera satelliternas inbördes position. Även om inte Darwin valt system än så har vi siktat på den typen av krav som Darwin ställer.

Det utförande som Nanospace siktar på är fyra individuellt kontrollerade och helt kompletta motorer i ett skal stort som en golfboll och som väger 30 gram. Till det kommer givetvis bränslet.

Ett annat område där den här typen av mikromotorer kan användas är för satelliter som flyger så lågt att de känner av jordatmosfärens inbromsande effekt. Då kan de hjälpa till att hålla omloppsbanan stabil.

Halverad bränsleförbrukning

Den här typen av styrraketer drivs idag med en kall gas, ofta kväve, under högt tryck. Om man på ett enkelt sätt kan hetta upp gasen innan den lämnar raketmunstycket så får man en effektivare raketmotor.

Och det är just detta som Kirk Williams mikrospiraler gör. Spolarna placeras i raketernas halvmillimetergrova gaskanaler och värms elektriskt till ca 1 400 grader. På så sätt kan de på en sträcka av en millimeter värma upp den genomströmmande gasen till 900 grader från rumstemperatur. När gasen värms upp ökar dess utsläppshastighet vilket gör att det krävs mindre gas för att styra satelliten.

Med en temperaturökning från 0–900 grader ökar utsläppshastighet med ungefär det dubbla och bränsleåtgången sjunker till hälften. Ju mindre bränsle som behövs för att driva motorerna som vrider satelliten när den väl är på plats, desto lättare satellit kan man skjuta upp och desto billigare blir det.

Till rymden 2008

En del utveckling återstår dock innan tekniken kan börja användas av rymdindustrin. Man måste komma på bättre sätt att montera spolarna i mikroraketmotorn och man måste undersöka om spolarna klarar att vistas i rymdmiljö i flera år.

– Det är förvisso oerhört utmanande tekniska utvecklingsproblem kvar, säger Johan Köhler. Men nu är det ett industriellt problem, och har lämnat forskningens område.

Systemet att styra satelliter med hjälp av uppvärmd gas i mikroraketmotorer ska testas av NanoSpace på en satellit som planeras att skjutas upp 2008.