Nel 1999, i tecnici della California Polytechnic State University (Cal Poly) e Università di Stanford ha sviluppato le specifiche per la tecnologia CubeSat. In poco tempo, le istituzioni accademiche hanno lanciato CubeSat per condurre ogni sorta di ricerca scientifica e convalidare nuove tecnologie satellitari. Dal 2013, la maggior parte dei lanci sono stati effettuati da enti commerciali e privati piuttosto che dal mondo accademico.

Purtroppo, i CubeSats sono stati trattenuti fino ad ora a causa della mancanza di una buona tecnologia di propulsione. Inoltre, si teme che con la proliferazione di piccoli satelliti, la Low Earth Orbit (LEO) diventerà sovraffollata. Grazie a Industrie Howe e un progetto di motore rivoluzionario (noto come ThermaSat) che utilizza il vapore per generare la propulsione, tutto questo potrebbe cambiare molto presto.

Di tutti i 2700 CubeSats e altri “nanosatelliti” che sono stati creati fino ad oggi, meno del 10% ha avuto un proprio mezzo di propulsione. Questo li lascia in balia della gravità e della resistenza atmosferica, che possono causare la loro deorbita quando sono ancora in funzione. Inoltre, non sono in grado di manovrare e regolare la loro orbita e di togliersi di mezzo ad altri satelliti e detriti spaziali.

Il Dr. Troy Howe (Ph.D.), CEO di Howe Industries, ha spiegato in un dichiarazione alla stampa dell’aziendail problema delle opzioni di propulsione esistenti è duplice:

“Da un lato, questi sistemi richiedono una notevole potenza per funzionare, sifonando l’energia dal carico utile primario. E poi ci sono i sistemi di propulsione più “energetici” (tipicamente ridimensionati rispetto all’uso su satelliti molto più grandi). Questi si basano su liquidi tossici, altamente pressurizzati o addirittura esplosivi, come l’idrazina.

“Questo è problematico perché la maggior parte dei CubeSats condividono un passaggio in orbita e i fornitori di lanci sono poco propensi a mettere in pericolo l’altro loro carico, spesso più prezioso. Mentre il dispiegamento dalla Stazione Spaziale Internazionale (che è comune per i CubeSats) preclude qualsiasi propulsione satellitare che, allo stesso modo, potrebbe rappresentare un rischio per la stazione e il personale”.

Il motore a vapore ThermaSat supera questi ostacoli grazie alla sua tecnologia proprietaria plug-n-play. Mentre il propellente è semplice acqua, il ThermaSat si differenzia dai motori a vapore convenzionali per il fatto che si basa sull’energia solare. Questo è fornito da pannelli estesi (piuttosto che da ingombranti riflettori sporgenti) che trasformano l’acqua in vapore surriscaldato un istante prima che venga sparato fuori dall’ugello posteriore.

Il motore ha anche il vantaggio di essere compatto e leggero e consiste di due sole parti mobili. Tuttavia, può erogare 1.800 Newton di impulso totale (o 203 libbre/s di impulso specifico) utilizzando solo 1 kg (2,2 libbre) di propellente (circa le dimensioni di una teiera da 4 tazze). Questo è sufficiente per mantenere un CubeSat ad un’altitudine di 375 km (233 mi) per più di cinque anni e ad altitudini fino a 250 km (155 mi) per diversi mesi.

Senza propulsione, l’orbita di un CubeSat a questa altitudine decadrebbe in poche settimane. Potendo sostenere tali orbite per periodi di tempo più lunghi, i piccoli satelliti potrebbero fornire un telerilevamento a più alta risoluzione e una minore latenza delle comunicazioni, che potrebbe tornare utile in caso di disastro naturale o di crisi. Un satellite equipaggiato con il ThermaSat potrebbe persino modificare la sua orbita per vedere meglio una situazione in corso.

I team di ingegneri di Howe stanno attualmente esaminando la possibilità di migliorare la capacità del loro motore in modo che possa consentire soggiorni prolungati a orbite ancora più basse – come una settimana di durata a 150 km (90 miglia) di altitudine. Secondo a Jack Miller, l’ingegnere della R&D per il programma ThermaSat:

“Il cuore del sistema è l’esclusivo condensatore termico, realizzato con materiali a cambiamento di fase, che concentra e immagazzina il calore solare raccolto da soli 20 pollici quadrati di superficie esposta. Utilizzando una combinazione di cristalli fotonici e specchi dorati, il condensatore completamente inerte raggiunge una temperatura di esercizio di 1.052K (1.433 Fahrenheit). Ne risulta un’energia specifica paragonabile a quella di una batteria agli ioni di litio, ma senza il potenziale di esplosione”.

Secondo Howe Industries Libro biancoil sistema ha un peso a secco di 1.445 g (3,2 libbre) e 2.445 g (5,4 libbre) a pieno carico. È in grado di supportare la configurazione standard (2U) CubeSats, ma può anche essere accoppiato con carichi utili 1U, 4U e 16U. Può generare fino a 200 m/s (656 ft/s) di accelerazione (delta-V) e richiede 2,3 – 4,6 Watt di potenza elettrica (fornita da pannelli solari).

Oltre che per il mantenimento della stazione, il ThermaSat può essere utilizzato per alzare le orbite, per missioni di geolocalizzazione (che richiedono il volo in formazione), così come per la deorbita programmata e per evitare le collisioni (che potrebbero diventare un requisito). Il sistema può anche consentire un rapido dispiegamento delle costellazioni (senza dipendere dalla resistenza variabile).

Poiché non richiede energia dal satellite, il ThermaSat può essere utilizzato per aggiornare i satelliti più grandi con un’unità di propulsione aggiuntiva. Ma secondo Howe Industries, il più grande vantaggio del loro motore “steampunk” è il modo in cui può abilitare una “nuova classe di satelliti intelligenti e autonomi in grado di trasmettere dati e persino di “sciamare” insieme per compiti specifici”.

Howe Industries ha sviluppato il ThermaSat con il supporto del Fondazione Nazionale della Scienza (NSF) come parte di una Fase I Ricerca per l’innovazione delle piccole imprese (SBIR) sovvenzione. Con il progetto ora consegnato all’NSF, Howe intende perseguire una sovvenzione SBIR di Fase II, che comporterà la creazione di un prototipo e la sua preparazione per un volo di prova nello spazio.

Howe Industries ha anche progettato una serie di applicazioni per la NASA, tra cui il Eso-Riflettore in tungsteno ad alta irradiazione Peltier Operated Tungsten Exo-Reflector (HI-POWER) e il Abilitazione del reattore ATEG con la sonda a sciame (SPEAR) sonda. Il concetto HI-POWER è un concetto di radiatore a stato solido leggero per rover che può garantire la gestione termica senza l’aggiunta di massa o massa che di solito viene fornita con tali sistemi.

Nel frattempo, il concetto della sonda SPEAR richiede una navicella spaziale a propulsione nucleare che si affidi a generatori termoelettrici avanzati (ATEG) e a un moderatore leggero del reattore per ridurre la massa. Il risultato finale è una navicella spaziale leggera che potrebbe consentire missioni di lunga durata ed economicamente vantaggiose nello spazio profondo – cioè Marte, la cintura degli asteroidi, Giove e oltre.

All’inizio di quest’anno, il concetto di HI-POWER è stato selezionato per il finanziamento della Fase I come parte della Concetti innovativi e avanzati della NASA (NIAC) del programma 2020 sollecitazione. Analogamente, la sonda SPEAR è stata selezionata per il finanziamento della Fase I dalla 2019 NIAC ed è stato selezionato per la Fase II di sviluppo dal NIAC 2020.

Per ulteriori informazioni, consultate il sito Howe Industries Libro bianco e il ThermaSat Foglio delle specifiche.

Ulteriori letture: Spazio giornaliero, Industrie Howe