Europejski przemysł kosmiczny przechodzi szybką, ale cichą rewolucję: zamiast toksycznych paliw napędowych, które były standardem przez dziesięciolecia, coraz częściej zwraca się ku tak zwanym „zielonym” rozwiązaniom. Jednym z najciekawszych nowych produktów w tej dziedzinie jest ARIEL – nowy, 250-niutonowy chemiczny silnik na nadtlenek wodoru, rozwijany przez hiszpańską firmę Arkadia Space pod auspicjami programu Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) Future Launchers Preparatory Programme (FLPP). Mowa o silniku przeznaczonym do systemów sterowania reakcyjnego (Reaction Control System – RCS) rakiet i statków kosmicznych, który łączy bardziej przyjazne dla środowiska paliwo, wysoki stopień niezawodności i konkurencyjne koszty, a przy tym celuje w segment rynku, w którym Europa do tej pory nie posiadała seryjnie dostępnego produktu o takich osiągach.

Silnik do precyzyjnego sterowania statkami kosmicznymi

W odróżnieniu od głównych silników napędowych, które wytwarzają duże ilości ciągu, aby rakieta lub statek w ogóle dotarły na orbitę lub zmieniły orbitę, ARIEL został zaprojektowany jako tak zwany silnik do kontroli orientacji (położenia) statku. Takie silniki umieszczone są w różnych częściach pojazdu kosmicznego i pracują w krótkich seriach lub dłuższych, stabilnych „zapłonach”, aby precyzyjnie obrócić, ustabilizować lub skierować statek w pożądanym kierunku. Ze swoim maksymalnym ciągiem około 250 N, ARIEL mógłby na Ziemi utrzymać w powietrzu worek cementu o wadze 25 kilogramów, co w próżni kosmosu przekłada się na bardzo precyzyjne i kontrolowane sterowanie dużymi rakietami lub masywnymi satelitami.

Dlaczego nadtlenek wodoru zastępuje hydrazynę

Kluczową cechą tego silnika jest wybór paliwa napędowego. Zamiast klasycznej hydrazyny, która przez dziesięciolecia była de facto standardem w misjach kosmicznych, ARIEL wykorzystuje wysoko stężony nadtlenek wodoru (High Test Peroxide – HTP) o czystości około 98%. Nadtlenek wodoru jako jednoskładnikowe paliwo (monopropellant) rozkłada się w obecności katalizatora na gorącą mieszaninę pary wodnej i tlenu, tworząc strumień generujący ciąg bez potrzeby stosowania układu dwuskładnikowego (bipropellant). Upraszcza to cały system zasilania, zmniejsza liczbę zaworów, rur i zbiorników, a jednocześnie zwiększa bezpieczeństwo pracy na ziemi i na orbicie.

Hydrazyna jest z kolei niezwykle toksyczną i rakotwórczą substancją, której przechowywanie, obsługa i transport wymagają drogiego sprzętu ochronnego, specjalistycznych obiektów i ściśle regulowanych procedur. Załogi na platformach startowych nie mogą się do niej zbliżać bez pełnych kombinezonów ochronnych z własnym systemem doprowadzania powietrza, a ewentualne zanieczyszczenia środowiska stanowią poważne ryzyko. Dlatego przemysł kosmiczny od lat szuka alternatyw, które zachowałyby użyteczność hydrazyny, ale przy mniejszym wpływie na zdrowie ludzi i środowisko. Właśnie tę niszę zajmuje ARIEL, jako jeden z pierwszych silników jednoskładnikowych na nadtlenek wodoru tej klasy ciągu opracowanych w Europie.

Szybki rozwój przy wsparciu programu ESA FLPP

Program FLPP, w ramach którego powstał ARIEL, został pomyślany jako swoisty inkubator technologii dla przyszłych europejskich systemów nośnych. ESA poprzez niego finansowo i technicznie wspiera firmy rozwijające komponenty i podsystemy z potencjałem do zastosowania w przyszłych rakietach, samolotach kosmicznych lub zaawansowanych misjach kosmicznych. W przypadku Arkadia Space, pierwsza umowa na rozwój i testowanie ARIEL-a została podpisana w czerwcu 2023 roku, a już siedem miesięcy później silnik był gotowy do pierwszego odpalenia na stanowisku testowym. W mniej niż dwa lata od podpisania umowy ARIEL, po serii testów, osiągnął poziom gotowości technologicznej TRL 6, co oznacza, że technologia została zademonstrowana w odpowiednim środowisku i jest gotowa do przejścia w stronę kwalifikacji i zastosowań komercyjnych.

Centrum testowe w Castellón i szeroka kampania badawcza

Kampania testowa została przeprowadzona w Arkadia Space Test Center zlokalizowanym na lotnisku Castellón w Hiszpanii, gdzie firma zbudowała własny obiekt specjalnie przystosowany do badania silników średniego ciągu i dłuższych czasów pracy. Stanowisko testowe i towarzysząca infrastruktura muszą wytrzymać nie tylko krótkie impulsy, ale także ciągłe „zapłony” trwające kilka minut, z powtarzanymi cyklami włączania i wyłączania, zmianami ciśnienia i temperatury oraz pomiarami w warunkach zbliżonych do próżni kosmicznej. Takie testy pozwalają inżynierom precyzyjnie scharakteryzować zachowanie silnika, zoptymalizować projekt komory spalania, łoża katalitycznego i wtryskiwacza oraz potwierdzić niezawodność w warunkach bliskich rzeczywistemu lotowi.

Osiągi silnika potwierdzone szerokimi testami

ARIEL podczas tej kampanii zademonstrował szereg kluczowych osiągów. Osiągnął impuls właściwy rzędu 180 sekund w próżni, co stawia go wśród konkurencyjnych „zielonych” silników jednoskładnikowych na rynku. Silnik jest zdolny do ciągłej pracy nawet do pięciu minut w jednym zapłonie, bez oznak degradacji czy spadku osiągów, co jest ważne dla manewrów takich jak aktywne hamowanie, deorbitacja czy przenoszenie na inną orbitę. Jednocześnie może pracować w bardzo krótkich, niezwykle precyzyjnych seriach trwających zaledwie 40 milisekund, jakie są typowe dla precyzyjnego sterowania orientacją statku podczas faz takich jak separacja stopni rakiety, manewry orbitalne czy przygotowanie do wejścia w atmosferę.

Podczas testów pojedynczy silnik wykonał ponad 2000 impulsów i zużył ponad 100 kilogramów nadtlenku wodoru, co daje solidną bazę statystyczną do oceny niezawodności. Oprócz samego silnika, projekt obejmuje również prototypy zbiorników paliwa oraz system zasilania, który może pracować w tak zwanym trybie „blowdown”: w miarę wzrostu zużycia HTP, część nadtlenku wodoru spontanicznie przechodzi w fazę gazową i swoim ciśnieniem wypycha pozostałą ciecz w kierunku komory silnika. Zmniejsza to potrzebę dodatkowego gazu wypychającego (jak hel), co z kolei upraszcza system i zmniejsza masę.

Zalety nadtlenku wodoru w praktyce

Nadtlenek wodoru jako paliwo napędowe przynosi również cały szereg dodatkowych korzyści. W porównaniu z hydrazyną, HTP oferuje konkurencyjny poziom impulsu właściwego, chociaż w niektórych konfiguracjach jest on nieco niższy, ale jest to rekompensowane prostszą architekturą systemu, niższymi kosztami i mniejszymi wymogami bezpieczeństwa. Ponadto nadtlenek wodoru jest tańszy, komercyjnie dostępny w wielu sektorach przemysłowych i, przy odpowiednich środkach ostrożności, jest znacznie mniej niebezpieczny dla ludzi i środowiska. W przeciwieństwie do hydrazyny, która jest klasyfikowana jako bardzo niebezpieczny odpad i wymaga skomplikowanych procedur utylizacji, produktami rozkładu nadtlenku wodoru są woda i tlen, co znacznie ułatwia całą logistykę.

Z perspektywy infrastruktury naziemnej przejście na nadtlenek wodoru oznacza krótsze przygotowania misji, zmniejszoną potrzebę specjalnych kombinezonów ochronnych i sprzętu, mniej barier administracyjnych i niższe koszty operacyjne. Właśnie dlatego coraz więcej agencji kosmicznych i operatorów satelitów rozważa lub już wdraża „zielone” systemy napędowe, czy to w formie silników jednoskładnikowych na nadtlenek wodoru, czy w połączeniu z innymi paliwami w konfiguracjach hybrydowych lub dwuskładnikowych. ARIEL pozycjonuje się jako jedno z narzędzi, które umożliwia europejskiemu przemysłowi dotrzymanie kroku temu trendowi i jednocześnie zmniejszenie zależności od zewnętrznych dostawców kluczowych technologii.

Wyzwania techniczne: katalizator i produkcja przyrostowa

Od strony technicznej rozwój niezawodnego silnika jednoskładnikowego na nadtlenek wodoru nie jest trywialnym zadaniem. Największe wyzwanie leży w opracowaniu łoża katalitycznego, które musi wytrzymać powtarzane cykle rozkładu HTP, wysokie temperatury i potencjalne zanieczyszczenia, zachowując przy tym stabilne osiągi przez cały okres żywotności silnika. Arkadia Space w ramach projektu ARIEL, przy wsparciu ekspertów ESA ds. napędu rakietowego, zoptymalizowała geometrię komory, dobór materiałów i konfigurację elementów katalitycznych, aby zmniejszyć spadek ciśnienia, zapobiec lokalnym przegrzaniom i zapewnić, że rozkład paliwa odbywa się w sposób kontrolowany i powtarzalny, od pierwszego do ostatniego zapłonu.

Jeszcze jednym ważnym elementem przy projektowaniu silników tej klasy jest możliwość druku 3D określonych części, dzięki czemu zmniejsza się liczbę połączeń, skraca czas produkcji i ułatwia modyfikacje projektu. Arkadia opracowała część swoich silników właśnie z myślą o produkcji przyrostowej, co zbiega się z ogólnym trendem w przemyśle kosmicznym, gdzie coraz więcej krytycznych części – od wtryskiwaczy po struktury nośne – wytwarza się na drukarkach 3D przystosowanych do użycia stopów wysokotemperaturowych. Takie podejście umożliwia również łatwiejsze dostosowanie do różnych konfiguracji rakiet lub satelitów, ponieważ określone elementy mogą zostać szybko przeprojektowane i ponownie wydrukowane.

Od demonstratora do produktu komercyjnego

ARIEL nie pozostaje tylko w fazie demonstratora. Już w 2025 roku technologia zaczęła zyskiwać konkretne zastosowania komercyjne. Arkadia Space podpisała swój pierwszy w pełni komercyjny kontrakt z francuską firmą MaiaSpace, która rozwija nową generację europejskich małych, częściowo wielokrotnego użytku rakiet. Silniki ARIEL o ciągu 250 N zostały wybrane do systemu sterowania reakcyjnego (RCS) na ich pojeździe nośnym, gdzie będą zapewniać precyzyjne sterowanie orientacją rakiety po starcie, podczas faz separacji stopni i ewentualnego powrotu części rakiety do ponownego użycia. Dla Arkadii ten kontrakt oznacza potwierdzenie dojrzałości technologii i początek wejścia na rynek jako dostawcy kluczowych komponentów napędowych.

Według publicznie dostępnych danych technicznych, ARIEL jest dziś kategoryzowany na poziomie gotowości technologicznej TRL 8, co oznacza, że system jest w wysokim stopniu dojrzałości i bardzo blisko pełnego operacyjnego, seryjnego użycia. Kwalifikacja lotna planowana jest na koniec 2025 roku, co przy pomyślnym zakończeniu procesu otworzyłoby drzwi do szerszego wprowadzania silnika na przyszłe platformy startowe i orbitalne. Projekt silnika obejmuje zakres ciągu mniej więcej od 75 do 275 N, przy nominalnych 250 N, minimalny impuls bit mniejszy niż dziesięć niutonosekund oraz całkowity dostępny impuls rzędu kilkuset tysięcy niutonosekund w ciągu życia, z projektowaną liczbą impulsów przekraczającą 10 000.

Szersze portfolio zielonych silników Arkadia Space

W tle tego komercyjnego sukcesu stoi również szerszy pakiet projektów ESA, w których Arkadia bierze udział. Oprócz ARIEL-a firma rozwija także mniejsze silniki, takie jak 5-niutonowy silnik DARK do precyzyjnych manewrów orbitalnych satelitów, czym pokrywa całe spektrum potrzeb – od precyzyjnego sterowania małymi satelitami po zapewnienie stabilizacji i sterowania rakietami podczas startu. Firma zademonstrowała już swoje systemy napędowe na nadtlenek wodoru na orbicie, na misjach komercyjnych dostawców usług usuwania śmieci kosmicznych i serwisowania satelitów, co dodatkowo umacnia status tej technologii jako niezawodnej opcji dla misji operacyjnych.

Kontekst europejski i strategiczna autonomia

Na poziomie całego sektora, przesunięcie w stronę „zielonych” napędów ma również szersze implikacje geopolityczne. Europa w ostatnich latach aktywnie stara się zapewnić większą strategiczną autonomię w kosmosie, czy to poprzez rozwój własnych rakiet i konstelacji satelitów, czy to poprzez inwestowanie w nowe generacje systemów napędowych. Zależność od importu hydrazyny i powiązanych regulacji, zwłaszcza spoza UE, jest długoterminowo słabością, którą takie projekty starają się zmniejszyć. Nadtlenek wodoru, który może być produkowany w Europie, przy znacznie mniejszych barierach regulacyjnych, wpisuje się w nową strategię przemysłową i bezpieczeństwa, a ARIEL konkretyzuje tę wizję w formie produktu wchodzącego do użytku komercyjnego.

Aspekt ekologiczny nie jest drugoplanowy. Chociaż całkowita ilość paliwa, którą wykorzystuje przemysł kosmiczny, jeszcze nie może równać się z globalnym zużyciem paliw kopalnych w transporcie lotniczym czy drogowym, każda technologia zmniejszająca emisje i ryzyko jest zyskiem dla środowiska. Oceny cyklu życia wskazują, że nadtlenek wodoru jako paliwo napędowe może zmniejszyć emisje do około 40% w porównaniu z hydrazyną, jeśli rozpatruje się cały łańcuch od produkcji, magazynowania i transportu do użycia i utylizacji. Jednocześnie zmniejsza się również ryzyko skażenia środowiska w okolicy platform startowych lub centrów testowych, ponieważ ewentualne wycieki rozkładają się na substancje, które systemy naturalne łatwiej znoszą.

Zastosowania dla operatorów satelitów i rakiet

Dla operatorów satelitów i systemów nośnych, ARIEL i podobne silniki stanowią sposób na połączenie wysokiej precyzji orbitalnej z bardziej akceptowalnym śladem ekologicznym i niższymi kosztami operacyjnymi. Precyzyjne sterowanie orientacją statku jest kluczowe na przykład dla konstelacji satelitów na niskiej orbicie okołoziemskiej, gdzie każda milisekunda pracy silnika może oznaczać różnicę między optymalną a nieoptymalną pozycją w stosunku do reszty konstelacji. Biorąc pod uwagę, że takie misje wymagają tysięcy i tysięcy zapłonów w ciągu wielu lat pracy, niezawodność i powtarzalność osiągów, jakie ARIEL zademonstrował w testach, bezpośrednio przekładają się na oszczędność paliwa, dłuższą żywotność statku i stabilniejszą usługę dla użytkowników końcowych.

Co dalej dla ARIEL i Arkadia Space

W nadchodzących latach oczekuje się dalszego rozwoju linii produktów ARIEL, w tym dostosowań do różnych wymagań klientów – od rakiet wielokrotnego użytku po duże satelity i serwisy orbitalne. Istnieje również potencjał łączenia HTP z innymi paliwami w systemach hybrydowych lub dwuskładnikowych, gdzie ta sama podstawa techniczna – zbiorniki, zawory i część infrastruktury napędowej – mogłaby służyć jako baza dla bardziej złożonych silników o większym ciągu. Ale już teraz, jako 250-niutonowy silnik jednoskładnikowy na nadtlenek wodoru, ARIEL symbolizuje nową generację europejskiej technologii kosmicznej, która dąży do połączenia innowacji, zrównoważonego rozwoju i konkurencyjności rynkowej.

Współpraca przemysłu i agencji jako akcelerator rozwoju

Współpraca ESA i Arkadia Space przy tym projekcie pokazuje również, jak europejskie programy instytucjonalne mogą przyspieszyć drogę od pomysłu do produktu. Kontrakt w ramach FLPP dał Arkadii nie tylko wsparcie finansowe, ale także dostęp do ekspertów od napędu rakietowego, procedur testowych i standardów, które były szlifowane przez dziesięciolecia w dużych europejskich programach, takich jak Ariane. Taka synergia pozwala stosunkowo młodym firmom uniknąć typowych „chorób wieku dziecięcego” i już we wczesnych fazach rozwoju wbudować wymagania związane z certyfikacją, bezpieczeństwem i integracją w złożone systemy kosmiczne.

Dla Arkadia Space, która została założona zaledwie kilka lat temu, ARIEL jest jednocześnie biletem wstępu do klubu firm, które w Europie dostarczają kluczowe technologie napędowe. Po udanej kampanii testowej i walidacji we współpracy z ESA, podpisanie kontraktu z MaiaSpace stanowi potwierdzenie, że ich podejście do „zielonego” napędu ma sens nie tylko technologiczny, ale i biznesowy. W miarę jak liczba startów rośnie, a zainteresowanie bardziej zrównoważonymi i bezpieczniejszymi alternatywami napędowymi wzrasta, silniki takie jak ARIEL mogą stać się standardową częścią europejskich rakiet i satelitów, dzięki czemu nadtlenek wodoru definitywnie ugruntowałby swoją pozycję jako poważny zamiennik hydrazyny w wielu zastosowaniach.