Сателити, задвижвани с вода? Революционното гориво, което променя космическите полети

Представете си бъдеще, в което сателитите се задвижват не от токсични горива или редки газове, а от обикновена вода. Може да звучи като научна фантастика, но задвижването на сателити с вода бързо се превръща в реалност. Тези нови системи за задвижване използват H₂O като гориво – или изстрелвайки прегрята пара, или разграждайки водата на водород и кислород за горене – за да маневрират космическите апарати в орбита. Привлекателността е очевидна: водата е евтина, изобилна, екологична и много по-безопасна за работа от традиционните ракетни горива esa.int, nasa.gov. Както казва пенсионираният астронавт Крис Хадфийлд, възможността да задвижваш космически апарати само със слънчева енергия и дестилирана вода е „голяма свобода“, особено тъй като водата е широко достъпна в космоса (от лунни кратери до лед на комети) spaceref.com. В този доклад ще разгледаме как работи задвижването с вода, неговите предимства и недостатъци, както и най-новите пробиви (до 2025 г.), които превръщат тази технология от експериментални демонстрации в масова употреба.

Как работят водните сателитни двигатели?

Самата вода не гори като обикновено гориво – тя е реакционната маса, която се енергизира и изхвърля, за да произведе тяга. Има няколко гениални начина, по които инженерите са направили водните двигатели възможни:

• Парно задвижване (електротермични двигатели): Най-простият подход е да се нагрее водата до високо налягане и да се изхвърли през дюза, за да се създаде тяга. Тези „парни ракети“ или резистоджетни конструкции използват електрически нагреватели или микровълнова енергия за кипване на водата. Например, апаратът Vigoride на Momentus Space използва микровълнов електротермичен двигател (MET), който „нагрява водата с микровълни, използвайки слънчева енергия“, докато тя не се превърне в плазма и не излети като струя с висока енергия spaceref.com. Това е подобно на поставяне на дюза на чайник или микровълнова печка – изхвърленият гореща пара избутва сателита. Парните двигатели са с ниска тяга, но много безопасни и механично прости. Японският стартъп Pale Blue доказа такава система в орбита през 2023 г., използвайки воден резистоджет за корекция на орбитата на малък сателит на Sony с няколко километра phys.org. Дизайнът на Pale Blue съхранява водата при ниско налягане и я изпарява при умерени температури – подход, който валидира две минути непрекъсната работа в космоса phys.org.
• Електролиза (водни ракетни двигатели): По-енергичен метод е да се разделя водата на водород и кислород (чрез електролиза) и след това тази смес да се изгаря в мини ракетен двигател. По същество, сателитът носи не под налягане течна вода, след което използва електрическа енергия от слънчеви панели, за да произвежда горими газове при необходимост. Двигателят Hydros на НАСА, разработен с Tethers Unlimited, е пионер в този подход spinoff.nasa.gov. След като влезе в орбита, Hydros електролизира водата до H₂ и O₂, които се съхраняват в балони, след което ги запалва в камера за кратки тласъци spinoff.nasa.gov. Това е „хибрид между електрическа и химическа тяга“, обяснява изпълнителният директор на Tethers Unlimited Робърт Хойт – слънчевата енергия върши работата по разделянето на водата, но полученото горене дава мощен тласък spinoff.nasa.gov. Европейски инженери от ArianeGroup разработват подобна система: голям воден резервоар захранва електролизатор, като водородът и кислородът се запалват след около 90 минути генериране, осигурявайки около 30 секунди тяга на цикъл ariane.group. Този цикличен процес на зареждане и изгаряне може да осигури нива на тяга много по-високи от електрическите йонни двигатели (ArianeGroup изчислява до 14× повече тяга на входна мощност в сравнение с йонните двигатели с холов ефект) esa.int. Компромисът е умерен специфичен импулс – т.е. горивна ефективност – който е между конвенционалната химическа и електрическа тяга esa.int. Въпреки това, производителността е впечатляваща: „Хидразинът има специфичен импулс от 200 s срещу 300 s за водата,“ отбелязва Жан-Мари Льо Кок от ArianeGroup, сравнявайки техния воден двигател благоприятно с токсичното гориво, което може да замени ariane.group.
• Йонни и плазмени двигатели, използващи вода: Водата също може да служи като гориво в усъвършенствани електрически задвижващи системи. В тези конструкции водната пара се йонизира или по друг начин се възбужда в плазма, след което се ускорява чрез електромагнитни полета, за да се генерира тяга (подобно на йонен двигател с ксенон). Например, Pale Blue разработва воден йонен двигател, който използва микровълнов плазмен източник за атомизиране на водните молекули и изхвърляне на йони за тяга phys.org. Такива системи могат да постигнат много по-висок специфичен импулс (500+ секунди), тъй като горивото се изхвърля с изключително високи скорости reddit.com. По подобен начин изследователи са тествали водно-аркушни двигатели (~550 s Isp) и микровълнови плазмени двигатели (до 800 s Isp) reddit.com – показатели, сравними или дори по-добри от много съвременни електрически двигатели. Предизвикателството тук е управлението на генерирането на плазма и предотвратяването на корозия на електродите от страничните продукти на водата. Но потенциалът е огромен: водни двигатели с висок специфичен импулс могат да направят водата по-ефективна по маса от традиционните горива за определени мисии reddit.com. Това все още са нововъзникващи технологии; първите демонстрации на воден йонен двигател на Pale Blue в орбита са планирани за 2025 г. чрез две мисии с космическия апарат на D-Orbit payloadspace.com. В бъдеще хибридни двигатели дори могат да комбинират режими – например двойна система, която предлага мощни парни импулси при нужда и ефективно йонно задвижване за дълги полети phys.org.

Във всички случаи основната идея е използване на електрическа енергия (от слънчеви панели) за добавяне на кинетична енергия към водната маса и изхвърлянето ѝ за задвижване. Самата вода е инертна и нетоксична, което я прави изключително удобна – може да се съхранява като течност (не са необходими високонапорни резервоари при изстрелване) и няма да избухне или отрови обслужващия персонал. Задвижването се „събужда“ едва когато сателитът е безопасно в орбита и има налична енергия за нагряване или електролиза на водата. Този по заявка характер е точно причината, поради която НАСА инвестира в задвижващи системи на водна основа за малки сателити: „PTD-1 ще отговори на тази нужда с първата демонстрация на космическа задвижваща система с електролиза на вода в космоса,“ казва Дейвид Майер, ръководител на проект за тестова мисия през 2021 г. nasa.gov. Следващите раздели ще разгледат защо тази концепция е толкова привлекателна – и какви предизвикателства все още остават.

Предимства на водното задвижване

Безопасност и простота: Традиционните сателитни горива като хидразин или ксенон са или силно токсични, корозивни, или изискват тежка пресурация. Водата, за разлика от тях, е „най-безопасното ракетно гориво, което познавам,“ отбелязва Майер nasa.gov. Тя е нетоксична, невъзпламенима и стабилна при стайна температура, което прави интеграцията и изстрелването много по-прости и евтини nasa.gov. Не са необходими защитни костюми или сложни процедури за зареждане – „можеш да оставиш студенти да работят с нея и няма да се отровят,“ шегува се изпълнителният директор на Tethers Unlimited spinoff.nasa.gov. Този фактор на безопасност е особено важен за CubeSats, които споделят ракети с по-скъпи основни товари, където строгите правила често забраняват експлозиви или високонапорни резервоари на борда nasa.gov. Системите, задвижвани с вода, остават безвредни до активирането им в орбита, което облекчава опасенията за безопасността на стартовата площадка. Това отвори вратата дори и за най-малките CubeSats да имат задвижване, което преди беше невъзможно поради ограниченията за безопасност на горивата.

Ниска цена и повсеместност: Водата е изключително евтина и универсално достъпна. Няма затруднения във веригата на доставки – всяка стартова площадка по света може лесно да се снабди с чиста вода (и да разлее малко без последствия). „Водата е достъпна навсякъде на Земята и може да се транспортира без риск,“ подчертава Никола Харманса от ArianeGroup, който е уверен, че „водата е горивото на бъдещето“ ariane.group. На литър, водата струва стотинки, докато екзотични електрически горива като ксенонов газ са подложени на колебания в цената и доставките. Оборудването за водни двигатели също може да е по-евтино: няма нужда от дебелостенни съдове под налягане или тръбопроводи за токсични материали. Като цяло, използването на вода може да намали разходите за задвижващи системи трикратно в сравнение с конвенционалните системи, според оценките на ArianeGroup ariane.group. Европейската космическа агенция установи, че сателит с маса 1 тон може да спести около 20 кг маса, ако премине от хидразин към водно-електролитен двигател, в допълнение към „значително намалени разходи за обслужване и зареждане“ esa.intesa.int. За търговските оператори тези спестявания на маса и пари се превръщат в повече полезен товар и по-малък риск.

Зареждане с гориво и устойчивост в космоса: Може би най-вълнуващото предимство е как водната тяга може да позволи изграждането на устойчива космическа инфраструктура. Водата не е само често срещана на Земята – тя е изобилна в цялата Слънчева система. Ледени залежи на Луната, Марс, астероиди и луни като Европа са по същество „космически бензиностанции“, които чакат да бъдат използвани mobilityengineeringtech.com. За разлика от токсичните горива, които биха изисквали сложни химически фабрики за производство извън Земята, водата може да бъде добивана и използвана директно като гориво след минимална обработка. Това има огромни последици за изследването на дълбокия космос: космически кораб може да зарежда резервоарите си, като добива лед на дадена дестинация, и след това да продължи пътуването си безкрайно. Първата демонстрация на тази концепция се състоя през 2019 г., когато екип от UCF и Honeybee Robotics тестваха прототипа WINE (World Is Not Enough), малък спускаем апарат, който добиваше симулиран астероиден лед и го използваше за генериране на парна ракетна тяга en.wikipedia.org. WINE успешно проби леден реголит, извлече вода и „подскочи“ във вакуумна камера на струя пара – доказвайки, че апарат може да „живее от ресурсите на място“ и да се зарежда сам за „вечни изследвания“ en.wikipedia.org. В дългосрочен план, космически кораби с водно гориво могат да се придвижват от астероид до астероид, без никога да се нуждаят от презареждане от Земята en.wikipedia.org. Дори при операции в близост до Земята, компании като Orbit Fab разглеждат водата като кандидат за услуги по зареждане с гориво в орбита, тъй като е лесна за работа. Всичко това прави водната тяга крайъгълен камък за икономиката в космоса, която визионерите се опитват да изградят: „виждаме водата като основен ресурс, ключов за тази икономика,“ казва Хойт, който проектира следващо поколение Hydros двигатели с портове за зареждане за неограничен живот spinoff.nasa.gov.

Екологична и оперативна чистота: Като зелен горивен агент, водата не произвежда вредни изгорели газове – само водна пара или следи от водород/кислород, които бързо се разсейват. Това е чудесно не само за околната среда на Земята, но и за чувствителните системи на космическите апарати. Оптичните сензори или звездните тракери няма да се замъглят от остатъци, и няма риск от корозивно въздействие на струята върху деликатни повърхности mobilityengineeringtech.com. Крис Хадфийлд отбелязва, че задвижващите системи на водна основа са идеални за обслужващи мисии като повдигане на остаряващия космически телескоп „Хъбъл“, защото те „не могат да напръскат [Хъбъл] с какъвто и да е остатък от гориво“ spaceref.com. Нежната, контролирана тяга от воден плазмен двигател може да повдига или понижава орбити без интензивните тласъци на химическите двигатели, намалявайки механичния стрес по време на деликатни операции spaceref.com. В обобщение, водното задвижване е не само по-приятелско към тези, които изстрелват и строят сателити, но и към самите сателити и техните небесни съседи.

Илюстрация на малък сателит, използващ задвижваща система на водна основа в орбита. Задвижването с вода може да се постигне чрез електрическо нагряване или електролиза на водата за създаване на тяга, предлагайки по-безопасна и „по-зелена“ алтернатива на традиционните химически ракети nasa.govnasa.gov.

Предизвикателства и ограничения

Ако водното задвижване е толкова добро, защо всички сателити вече не го използват? Както при всяка нова технология, има компромиси и препятствия, които трябва да се преодолеят:

По-ниска тяга (в някои режими): Резистоджетните двигатели с чиста вода обикновено имат доста ниска тяга в сравнение с химическите ракети. Кипящата вода може да бъде изхвърлена само с определена скорост (обикновено осигурява специфичен импулс от порядъка на 50–100 секунди за обикновени парни двигатели reddit.com, blog.satsearch.co). Това е подходящо за малки CubeSat-и, които правят леки корекции, но означава, че маневрите са бавни. Парен двигател с Isp 50 s осигурява „много по-лоша възвръщаемост за вложените средства“ по отношение на импулса в сравнение с типичен хидразинов двигател с 300 s Isp reddit.com. Индустрията решава този проблем, като преминава към по-енергийни подходи като плазмени двигатели (500+ s Isp) и водни бипропелантни горивни системи (~300 s Isp) reddit.com, ariane.group. Все пак, съотношението тяга-мощност е ограничаващ фактор – необходима е значителна електрическа мощност, за да се получи смислена тяга от вода. При малките сателити мощността е ограничена, така че има таван на тягата, освен ако не носят големи слънчеви панели или други източници на енергия. Затова дори най-добрите водни йонни двигатели ще са подходящи за бавно повдигане на орбита, а не за бързи орбитални трансфери (засега). Инженерите трябва внимателно да преценят дали изискванията за делта-V и времето на мисията могат да бъдат изпълнени с електрически воден двигател или е необходима химическа система с по-висока тяга.

Енергийни и топлинни изисквания: Водата може да е лесна за съхранение, но превръщането ѝ в горещ газ или плазма изисква много енергия. Особено електролизата е енергоемка – разделянето на водата по същество е неефективно, а след това трябва и да се запалят газовете. Електролизаторите и нагревателите добавят сложност и могат да бъдат точки на отказ. Управлението на топлината е друг проблем: системите за кипене или плазма могат да работят при високи температури, което е трудно във вакуума на космоса, където охлаждането е сложно. Хойт от Tethers Unlimited отбелязва предизвикателствата при материалите при работа с „водород, кислород и прегрята пара“ – корозията и замърсяването лесно могат да влошат системата spinoff.nasa.gov. Конструкторите трябва да използват специални покрития и ултра-чиста вода, за да избегнат замърсяване на електродите и да осигурят дълъг живот spinoff.nasa.gov. Тези проблеми се решават постепенно (с по-добри материали и чрез изолиране на електролизатора от горивната камера, например), но са били нужни години научноизследователска и развойна дейност, за да се създаде надежден двигател. Всъщност, въпреки че НАСА теоретизира за водни ракети още от 60-те години, едва наскоро се появи „практичен водно-електролизен двигател“ поради тези технически препятствияspinoff.nasa.gov.

Съотношение между производителност и съхранение: Водата е обемиста. Тя има добра плътност (1 г/мл, подобно на много течни горива), но не предлага собствена химическа енергия. Това означава, че за мисии с голям делта-V, резервоарът за воден горивен компонент може да трябва да е по-голям от резервоар за по-енергийни горива. Спасението на водата е, че усъвършенстваните двигатели могат да внасят външна енергия, за да компенсират това. Например, микровълнов електротермичен двигател, подаващ 5 kW във вода, може да постигне ~800 s Isp reddit.com, като ефективно извлича повече производителност от всяка капка вода. Но тези нива на мощност са достъпни само за по-големи космически апарати. Малките сателити може да са ограничени до по-нисък Isp, което прави водата по-малко ефективна по маса за тях. Съществува и проблемът с управлението на водата в орбита: тя може да замръзне, ако тръбите или резервоарите не се отопляват, или може да причини нестабилност на тягата, ако внезапно се изпари. Инженерите предотвратяват това с внимателен топлинен контрол и регулиране на налягането (например, като поддържат водата леко под налягане, за да остане течна, докато не се наложи да се изпари phys.org). Освен това, въпреки че водата не е под налягане при изстрелване, някои системи изискват тя да бъде под налягане в космоса (или съхраняване на електролизираните газове в резервоари под налягане). Това отново въвежда известна сложност на системите под налягане, макар и след достигане на орбита. Планиращите мисии трябва също да вземат предвид изпаряването на горивото – водата в нагрят резервоар може да изтече или да се изпари при дълги мисии, ако не е добре запечатана и охладена.

Натрупан опит и доверие: Към 2025 г. водното задвижване все още е сравнително нов играч в оперативните флотилии. Много оператори на сателити възприемат подход „изчакай и виж“, като искат да са сигурни, че технологията е доказана. Ранни новатори като HawkEye 360 (които използваха водни двигатели през 2018 г.) и програмата Star Sphere на Sony (2023) помогнаха за изграждането на доверие geekwire.com, phys.org. Но по-консервативните клиенти може да изискват още демонстрации, особено за критични мисии, преди да се откажат от изпитаните химически двигатели. Имало е и дребни проблеми: например мисията Pathfinder Technology Demonstrator-1 (PTD-1) на NASA през 2021 г. имаше за цел да докаже Hydros двигателя на Tethers в орбита nasa.gov. Въпреки че мисията беше до голяма степен успешна, всякакви аномалии или недостатъчна производителност (ако са били срещнати) са уроци, които бъдещите версии ще подобрят. Струва си да се отбележи, че дори успешните тестове досега са с ограничена продължителност (минути на работа). Дългосрочната издръжливост на тези системи (стотици включвания през годините) се тества, но все още не е напълно валидирана в космоса. Това се променя бързо, тъй като компании като Momentus вече са използвали своите водни двигатели десетки пъти в орбита nasdaq.com. Всяка нова мисия разширява границите и доближава водното задвижване до масов избор. Междувременно инженерите и регулаторите внимателно оценяват тези двигатели, за да установят стандарти и добри практики (например, да се гарантира, че „захранван със вода“ сателит може безопасно да бъде деорбитиран в края на живота си чрез запазване на малко вода за последно спускане – изискване за ограничаване на космическия отпадък).

Накратко, ограниченията на водното задвижване – по-ниска моментална тяга, енергийни нужди и риск, свързан с ранния етап на развитие – означават, че все още не е универсално решение за всеки сценарий. Но бързият напредък през последните години подсказва, че тези предизвикателства се преодоляват едно по едно, както ще разгледаме по-нататък в контекста на реални мисии и участници.

Ранни иновации и исторически постижения

Концепцията за използване на вода като космически горивен агент съществува от десетилетия. Изследователи на НАСА по времето на Аполо са осъзнали, че водата може да бъде превърната във водород/кислород – същата мощна комбинация, която задвижваше космическите совалки – ако има налична енергия в космоса spinoff.nasa.gov. Но през 20-ти век идеята остава само на чертожната дъска; химическите ракети, използващи съхраняеми токсични горива, просто са били по-зрели и осигурявали по-голяма тяга за технологиите на времето. Едва с миниатюризацията на сателитите и напредъка в електрическата енергия водното задвижване придобива нова значимост. Ето някои ключови ранни постижения, довели до сегашното състояние:

• 2011–2017: Възходът на CubeSats (миниатюрни сателити, изградени от кубчета с размер 10 см) създаде нужда от също толкова малки и безопасни двигатели. Изследователски групи започнаха отново да разглеждат водата като идеален горивен агент за CubeSat, тъй като много доставчици на изстрелвания забраняваха химически горива за вторични товари. През 2017 г. екип от университета Purdue, ръководен от проф. Алина Алексеенко, представи микродвигател, наречен FEMTA (Film-Evaporation MEMS Tunable Array), който използва ултра-пречистена вода mobilityengineeringtech.com. FEMTA използва капиляри с размер 10 микрона, гравирани в силиций; повърхностното напрежение задържа водата на място, докато нагревател я кипне, изхвърляйки микро-струи пара. В тестове във вакуумна камера, двигателят FEMTA произвежда управляемо тяга в диапазона 6–68 µN със специфичен импулс около 70 s futurity.org, sciencedirect.com. Четири FEMTA двигателя (с общо около една чаена лъжичка вода) могат да завъртят 1U CubeSat за по-малко от минута, използвайки само 0,25 W мощност mobilityengineeringtech.com. Това беше пробив, показващ, че дори много нискоенергийни системи могат да осигурят значим контрол на ориентацията с помощта на вода. Алексеенко подчертава привлекателността на водата не само за орбити около Земята, но и за използване на ресурси в космоса – „Смята се, че водата е в изобилие на марсианската луна Фобос, което я прави потенциално огромна бензиностанция в космоса… [и] много чист горивен агент“ mobilityengineeringtech.com.
• 2018: Първата оперативна употреба на водно задвижване в орбита се състоя. Американският стартъп Deep Space Industries (DSI) разработи електротермичния двигател Comet, малко устройство, което кипва вода и я изстрелва за маневриране на малки сателити. През декември 2018 г. двигателите Comet на DSI летяха на четири търговски сателита: три за радио-честотната съзвездие HawkEye 360 и един за демонстрационния радарен сателит на Capella Space geekwire.com. Тези малки сателити успешно използваха водно задвижване за корекция на орбитите си, отбелязвайки дебюта на водно-горивни двигатели, работещи в космоса. По същото време японският 3U CubeSat на име AQT-D (Aqua Thruster-Demonstrator), разработен в Токийския университет, беше изстрелян от МКС. AQT-D тества водна резистоджет система в орбита в края на 2019 г., демонстрирайки управление на ориентацията и малки промени в орбитата; това беше ранен тест в космоса от Япония, който положи основите за стартъпа Pale Blue по-късно blog.satsearch.co.
• 2019: Интересът на НАСА към водното задвижване премина от теория към практика. Tethers Unlimited, по договори с NASA SBIR и партньорство „Tipping Point“, достави готов за полет двигател HYDROS-C за CubeSat-иspinoff.nasa.govspinoff.nasa.gov. НАСА интегрира този двигател в мисията Pathfinder Technology Demonstrator 1 (PTD-1), 6U CubeSat. Въпреки че изстрелването беше отложено за 2021 г., тази мисия имаше за цел да бъде „първата демонстрация на система за задвижване на космически апарат чрез електролиза на вода в космоса“ nasa.gov. Самото одобрение на полезен товар с водно задвижване показа доверието на НАСА в неговата безопасност и полезност за малки мисии. В частния сектор DSI беше придобита от Bradford Space през 2019 г. geekwire.com, като фокусът на DSI се измести изцяло към задвижването. Bradford продължи да предлага двигателя Comet като нетоксична алтернатива за малки сателити, а дори и големи интегратори проявиха интерес – LeoStella (производителят на съзвездието за наблюдение на Земята BlackSky) реши да използва водните двигатели Comet за предстоящите си сателити geekwire.com. До края на 2019 г. тенденцията беше ясна: водното задвижване премина от лабораторни прототипи към реални космически апарати и привлече сериозни инвестиции.
• 2020–2021: Няколко значими събития задържаха водните двигатели в новините. Базиран в щата Вашингтон стартъп Momentus Inc. се появи с амбициозни планове за космически влекачи (орбитални трансферни апарати), задвижвани от водни плазмени двигатели. Съоснован от руски предприемач, Momentus привлече внимание с обещанията си за „водно плазмено задвижване“, въпреки че регулаторни пречки забавиха първите му изстрелвания до 2021 г. Междувременно, през 2020 г., японският стартъп Pale Blue Inc., отделен от лабораториите на Токийския университет, се стреми да комерсиализира водното задвижване на японския и световния пазар phys.org. Техният план включваше малки резистоджетни устройства и по-усъвършенствани йонни и холови двигатели, използващи вода. В началото на 2021 г. НАСА най-накрая изстреля PTD-1 (с мисията SpaceX Transporter-1), носещ двигателя Hydros nasa.gov. В рамките на 4-6 месечна мисия, PTD-1 трябваше да извърши промени в орбитата, използвайки водно гориво, доказвайки необходимата производителност и надеждност за бъдеща употреба nasa.gov. Тази мисия беше кулминация на почти десетилетна работа на Tethers и НАСА, показвайки, че дори сателит с размер на кутия за обувки може да има „нискобюджетна, високоефективна система за задвижване“, използваща вода nasa.gov. През 2021 г. Европейската космическа агенция също завърши проучване за приложимостта на водното задвижване, определяйки го като водещ избор за определени класове мисии (особено 1-тонни LEO сателити) и стимулирайки компании като германската OMNIDEA-RTG да започнат разработки в Европа esa.intesa.int.

Тази ранна история подготви почвата, като доказа концепцията и ранното ѝ възприемане. Следва да разгледаме настоящите играчи, които мащабират водното задвижване и мисиите, които демонстрират неговите възможности.

Водещи играчи в развитието на водното задвижване

До 2025 г. динамична екосистема от компании и космически агенции тласка водното задвижване от демонстрация към внедряване. Ето някои от забележителните организации и техния принос:

• Tethers Unlimited (САЩ) & НАСА: Tethers Unlimited (TUI) беше пионер със своите Hydros водно-електролизни двигатели, разработени чрез финансиране от NASA SBIR spinoff.nasa.gov. В партньорство с NASA Ames и Glenn, TUI изстреля Hydros-C на мисията PTD-1 на НАСА, превръщайки го в пионер на водното задвижване в CubeSats spinoff.nasa.gov. TUI също така изгради по-големи Hydros-M устройства за сателити от 50–200 кг по договор NASA Tipping Point, доставяйки двигатели на Millennium Space Systems за тестване spinoff.nasa.gov. Продължаващата подкрепа от НАСА (чрез програми като Small Spacecraft Technology и предстоящите мисии за обслужване на орбита) показва силната вяра на агенцията във водното гориво за безопасни, презареждащи се космически апарати. Изпълнителният директор на TUI Хойт предвижда водните двигатели в бъдеще да бъдат оборудвани с портове за презареждане, способни да се зареждат от депа на Orbit Fab или от операции по добив на астероиди spinoff.nasa.gov.
• Momentus Inc. (САЩ): Momentus е разработила уникален микровълнов електротермичен двигател (MET), който използва вода за създаване на плазмени струи, и го е интегрирала в Vigoride – орбиталния трансферен апарат. Въпреки трудния път (включително регулаторен контрол в САЩ и забавено сливане чрез SPAC), Momentus успешно проведе няколко демонстрации на Vigoride през 2022–2023 г. По време на мисията Vigoride-5 през януари 2023 г., Momentus „тества своя MET двигател в орбита с 35 запалвания“, валидирайки работата на двигателя в различни приложения nasdaq.com. В един от тестовете, Vigoride-5 повиши орбитата си с около 3 км, използвайки само водно задвижване spaceref.com. Членът на борда на компанията Крис Хадфийлд е активен поддръжник, като подчертава, че „намираме много повече вода в нашата Слънчева система“, която може да се използва като гориво, и че MET на Momentus е по същество „дюза на микровълнова печка“, която дори може да превърне водата в плазма за тяга spaceref.com. Momentus вече предлага услуги за транспорт в космоса, използвайки ниската цена на водата, за да се конкурира по отношение на цената. Компанията е предложила и амбициозни проекти, като използване на воден буксир за повдигане на орбитата на телескопа Хъбъл, за да удължи живота му spaceref.com. Докато Momentus все още доказва своята търговска жизнеспособност, тя безспорно е напреднала в технологията, като е демонстрирала мащабируема система за водно задвижване в орбита многократно.
• Pale Blue (Япония): Стартираща компания, създадена в Токийския университет, Pale Blue е името, което трябва да се следи в областта на водното задвижване в Азия. През март 2023 г. водният резистоджет двигател на Pale Blue задвижи сателита на Sony EYE (от проекта Star Sphere) – първото на орбита изстрелване на частно разработен японски воден двигател phys.org. Двигателят извърши двеминутно изгаряне, което промени орбитата на CubeSat според плана – голямо постижение за компанията phys.org. Pale Blue предлага гама от двигатели: от серията PBR- (10, 20, 50) резистоджет модули за малки сателити, до предстоящия воден йонен двигател PBI и дори планиран воден Hall-ефект двигател (PBH) до 2028 г. blog.satsearch.co. Техният двигател PBR-20 (1 mN тяга, >70 s Isp) беше тестван при полети през 2019 и 2023 г., а по-големият PBR-50 (10 mN тяга) беше изстрелян в началото на 2024 г. за първата си мисия blog.satsearch.co. През 2025 г. Pale Blue трябва да демонстрира първия в света воден йонен двигател с размер 1U на две мисии D-Orbit rideshare (юни и октомври) payloadspace.com. Японското правителство силно подкрепя Pale Blue – програма от 2024 г. отпусна на компанията до 27 милиона долара за развитие на водно задвижване за търговски и отбранителни приложения (сигнализирайки национален интерес към нетоксично задвижване за сателити). С партньорства (като с италианската D-Orbit) и значително финансиране, Pale Blue цели да промени пазара на задвижване за малки сателити с безопасни, презареждащи се водни системи.
• Bradford Space (САЩ/Европа): След придобиването на Deep Space Industries през 2019 г., Bradford Space наследи Comet water thruster и оттогава го доставя за множество сателитни мисии. Comet се представя като „първата в света работеща водна система за задвижване“ и е внедрена от няколко клиента geekwire.com. По-специално, пътеводните сателити на HawkEye 360 и демо сателитът Whitney на Capella през 2018 г. използваха Comet thrusters за поддържане на орбита geekwire.com. Производителят от Сиатъл LeoStella също избра Comet двигатели за второто поколение BlackSky сателити за изображения, които произвежда, което показва доверие в надеждността на Comet geekwire.com. Comet thruster осигурява около 17 mN тяга и 175 s Isp blog.satsearch.co, използвайки електротермичен нагревател за изхвърляне на водна пара. Bradford го предлага като „безопасна за изстрелване“ алтернатива на хидразиновите системи за малки и средни сателити blog.satsearch.co. С офиси в САЩ и Европа, Bradford също интегрира Comet технологията в бъдещи проекти за мисии в дълбокия космос (например предложеният от тях Xplorer космически автобус за мисии до астероиди може да използва водно задвижване за маневриране в дълбокия космос geekwire.com). С разрастването на съзвездията, производството на доказани във флотата водни thrusters от Bradford го позиционира като ключов доставчик за компании, които искат нехазарден тип задвижване в голям мащаб.
• ArianeGroup и европейски партньори (ЕС): В Европа големият аерокосмически изпълнител ArianeGroup пое водещата роля в разработката на водно задвижване, с цел да оборудва следващото поколение LEO и MEO сателити. В обекта им в Ламполдсхаузен, Германия, екипът на ArianeGroup изгради хибриден електро-химичен воден двигател (много подобен на концепцията Hydros на Tethers) ariane.group. В края на 2023 г. те разкриха подробности: системата може да електролизира вода за около 90 минути и след това да извърши 30-секундно двукомпонентно изгаряне, с общ специфичен импулс около 300 секунди ariane.group. Дизайнът е модулен и мащабируем – могат да увеличат броя на електролизните клетки, размера на резервоара или броя на камерите на двигателя, за да отговорят на различни изисквания на сателитите ariane.group. ArianeGroup твърди, че системата може да бъде „три пъти по-евтина“ от сегашните химически задвижвания за съзвездия ariane.group. С подкрепата на ESA и DLR (Германската космическа агенция), ArianeGroup планира демонстрация в орбита през есента на 2026 г. на сателита ESMS, който ще използва водния двигател за корекции на орбитата и поддържане на позицията ariane.group. Тази демонстрация ще валидира работата на електролизатора в микрогравитация и работата на двурежимния двигател в космоса. Инвестицията на Европа показва, че те виждат водното задвижване като конкурентна и устойчива алтернатива за сателитни мрежи, особено предвид предстоящите регулации, които изискват „зелени“ горива за намаляване на рисковете при изстрелване.
• Други забележителни стартъпи: Освен големите имена по-горе, множество стартъпи по света иновират в областта на водната пропулсия. Aurora Propulsion Technologies (Финландия) предлага малки ARM-серия водни тласкачи за CubeSats, включително модули за пълен 3-осен контрол на 1U–12U сателити с помощта на миниатюрни водни микроструи blog.satsearch.co. SteamJet Space Systems (Великобритания) е разработила подходящо наречения Steam Thruster One и тласкача “TunaCan”, които са компактни електротермични водни двигатели, побиращи се в неизползвания обем на CubeSat разгръщачи blog.satsearch.co. Те са летателно доказани поне в една CubeSat мисия, показвайки, че дори нано-сателити могат да извършват орбитални маневри с малко нагрята вода blog.satsearch.co. Във Франция ThrustMe (известни с йодни електрически тласкачи) са изследвали водата като гориво в някои концепции, а в Италия стартъпи, финансирани от ESA, също обмислят вода за горни степени на малки ракети или орбитални влекачи. Освен това, интересен участник е URA Thrusters, които са представили набор от системи с водно задвижване – от Hall-ефект тласкач, който може да използва водна пара или кислород blog.satsearch.co, до “ICE” електролизни тласкачи, които комбинират MEMS-мащабно разделяне на вода и горене blog.satsearch.co, до Hydra хибрид, който съчетава Hall тласкач с химически двигател за гъвкава производителност blog.satsearch.co. Макар някои от тях все още да са на чертожната дъска, широтата на разработките подчертава една точка: водната пропулсия не е еднократна новост, а широка технологична тенденция, привличаща иноватори по целия свят.

Летателен прототип на водната пропулсионна система HYDROS-C на Tethers Unlimited за CubeSats. Този компактен модул съдържа водни резервоари, електролизатор, газови балони и ракетна дюза spinoff.nasa.gov. Такива системи остават инертни до достигане на орбита, когато слънчевата енергия се използва за разделяне на водата на водород/кислород за тягова работа.

Мисии и постижения: Водна пропулсия в действие

Реалните космически мисии през последните години доказаха осъществимостта на задвижванията с водно гориво и продължават да разширяват техните възможности. По-долу е представена времева линия на значими мисии и демонстрации, показващи водно задвижване:

• 2018 – Първа употреба в орбита: Сателитите HawkEye 360 Pathfinder (3 във формация) и радарен сателит на Capella Space използват водните двигатели Comet на DSI за поддържане на орбитата след изстрелването през декември 2018 г. geekwire.com. Те стават първите търговски сателити, работещи с водно гориво, успешно извършват маневри и валидират двигателя в космоса.
• 2019 – Демонстрация от МКС: 3U CubeSat AQT-D (Aquarius) на Токийския университет, изведен от Международната космическа станция, изстрелва своите водни резисто-джет двигатели в орбита. Системата постига контрол на ориентацията и малки орбитални промени, отбелязвайки първата японска демонстрация на водно задвижване в космоса. Тази мисия доказва, че многодюзен воден двигател може да работи в микрогравитация и полага основите за по-късните проекти на Pale Blue blog.satsearch.co.
• 2021 – NASA PTD-1: Pathfinder Technology Demonstrator-1, 6U CubeSat на NASA, провежда първия тест на водно-електролизно задвижване в орбита. С около 0,5 литра вода, двигателят Hydros на PTD-1 изпълнява програмирани тласъци, демонстрирайки, че разделянето на водата на H₂/O₂ и изгарянето ѝ може да задвижи сателит, както се очаква nasa.gov. Мисията, продължила няколко месеца, потвърждава работата, безопасността и възможността за рестартиране на системата, давайки на малките сателити нова доказана опция за контрол на орбитата.
• 2022 – Дебют на Vigoride: Momentus изстрелва Vigoride-3 (първото си орбитално обслужващо превозно средство) през май 2022 г. Въпреки че първоначалните тестове на двигателя са ограничени (превозното средство изпитва някои аномалии в ранните операции spacenews.com), мисията поставя основата за поетапно тестване на водната MET. Momentus установява контакт и се учи да управлява новото задвижване в реална космическа среда news.satnews.com, подготвяйки подобрения за следващи полети.
• 2023 – Множество успехи: Тази година е повратна точка с няколко победи на водното задвижване:
  • Momentus Vigoride-5 (януари 2023): Успешно извършва 35 запалвания на двигателите на своя воден MET в орбита, повишавайки орбитата си и коригирайки ориентацията само с водни плазмени струи nasdaq.com. Това е основно доказателство, че по-голям апарат (~250 кг) може да използва водно задвижване за значими промени в орбитата.
  • Momentus Vigoride-6 (април 2023): Продължава тестовете и дори завършва въвеждане в орбита на клиент (въпреки че софтуерен проблем с времето води до малка грешка в наклона на орбитата) nasdaq.com. Vigoride-6 остава в експлоатация, като допълнително потвърждава надеждността на задвижващата система.
  • Pale Blue EYE Demo (март 2023): Sony’s EYE CubeSat извършва маневра за повишаване на орбитата с помощта на водния двигател на Pale Blue за ~120 секунди phys.org. Успехът на тази демонстрация – придвижвайки сателита по-близо до целевата му орбита за фотографиране на Земята – потвърждава орбиталната функционалност на двигателя и е широко отразен като навлизането на Япония във водното задвижване phys.org.
  • EQUULEUS при Луната (края на 2022–2023): Макар и не широко отразено в масовите медии, заслужава да се отбележи EQUULEUS, CubeSat на JAXA и Университета в Токио, изстрелян към Луната с Artemis I (ноември 2022), който носи водна резистоджет система за корекции на траекторията sciencedirect.com. Той използва водни двигатели, за да извърши успешно корекции на курса по пътя си към точката на Лагранж Земя-Луна, демонстрирайки водно задвижване в цислунарното пространство – първо за операции извън LEO.
• 2024 – Масово внедряване: Водно задвижване започва да се появява на повече работещи сателити:
  • Серийни внедрявания: Следващите партиди сателити на Hawkeye 360 и по-новите SAR сателити на Capella продължават да използват водни Comet двигатели в рутинна експлоатация, с подкрепата на Bradford. Освен това, Gen-2 сателитите на BlackSky, изстреляни през 2024, включват Comet водно задвижване за поддържане на орбитата на съзвездието за наблюдение на Земята geekwire.com.
  • Нови стартирания на двигатели: По-големите PBR-50 двигатели на Pale Blue ще имат първия си старт в началото на 2024 г. на споделен полет за малки сателити (точната мисия не е разкрита), с цел да осигурят ~10 mN тяга за микросателит в орбита blog.satsearch.co. Това поставя началото на квалификацията на водната пропулсия за по-големи класове малки сателити.
  • Инфраструктура: Компании като Orbit Fab обявяват планове да направят водата един от горивните варианти за своите предложени орбитални депа за гориво, а проектът TALOS на НАСА разглежда водни „дроп танкове“ за буксири за дълбокия космос – което отразява по-широкото приемане, че водата ще бъде част от веригата за космическа логистика през следващите години.
• 2025 – Предстоящи и текущи: Вълнуващи мисии са в програмата:
  • Полетите на Pale Blue D-Orbit: Първият водно-йонен двигател (PBI) ще бъде тестван в полет на Ion Satellite Carrier на D-Orbit в средата и края на 2025 г. payloadspace.com. Тези тестове ще измерят високоефективната тяга и ще проправят пътя за комерсиални йонни устройства, които използват вода вместо ксенон или криптон.
  • Експеримент JAXA RAISE-4: Японската космическа агенция планира да изстреля демонстрационния сателит RAISE-4 през 2025 г., който трябва да носи най-новата пропулсивна система на Pale Blue (възможно е подобреният PBI) за тестове в ниска околоземна орбита blog.satsearch.co.
  • Комерсиализация на Momentus: Momentus очаква да премине от чисто тестови към оперативни мисии, предлагайки транспортиране на полезен товар на клиенти. До 2025 г. те целят да започнат да предоставят услуги за повишаване на орбитата — например, да преместват малки сателити от споделена начална орбита до желана по-висока орбита — изцяло с водна пропулсия. Това ще бъде лакмусов тест за икономическата жизнеспособност на водните двигатели в реални мисии.
  • Демонстрация на воден двигател на ESA: В Европа започват финалните подготовки за мисията Spectrum Monitoring Satellite (ESMS), планирана за 2026 г., като до 2025 г. нейната водна пропулсивна система ще бъде интегрирана и ще преминава наземни тестове ariane.group. Ако всичко върви по план, тази мисия ще стане първият комерсиален сателит в пълен мащаб, който разчита на вода за основна пропулсия (а не само като демонстрационен модул).

Тази времева линия показва ясно ускорение: от единични експерименти преди няколко години до множество космически апарати, които днес разчитат на вода, и още много в процес на подготовка. Всеки успех изгражда доверие и опит, което от своя страна привлича повече потребители. До средата на 2020-те водната пропулсия излиза от експерименталната фаза и влиза в инструментариума на проектантите на мисии.

Художествена визуализация на малък сателит (кубсатът EYE на Sony), който през 2023 г. използва водно-базиран резистоджет двигател на Pale Blue, за да коригира орбитата си phys.orgphys.org. Демонстрацията отбеляза първата употреба на водно задвижване в космоса от японски стартъп, а промяната на орбитата на сателита потвърди ефективността на двигателя.

Последните пробиви (2024–2025) и какво предстои

Последните две години бяха белязани от бързи постижения и тенденцията ще продължи. Последни новини и развития през 2024–2025 г. подчертават как водното задвижване достига нови висоти:

• Финансиране и индустриална подкрепа: Осъзнавайки стратегическата стойност на нетоксичното задвижване, държавни агенции инвестират във водни двигатели. През 2024 г. японското METI отпусна на Pale Blue грант от няколко милиарда йени (до ~$27 млн.), за да разшири технологията си за водно задвижване за търговски и отбранителни сателити spacenews.com. Това финансиране ще помогне на Pale Blue да увеличи нивата на тяга и да разработи по-големи системи, подходящи за по-големи сателити. Европейските програми Horizon също финансират решения с екологични горива, като водните технологии са на преден план, както се вижда от подкрепата на ESA за демонстрацията на ArianeGroup през 2026 г. ariane.group. Дори Министерството на отбраната на САЩ проявява интерес към безопасно задвижване на CubeSat за проекти на Космическите сили, където безопасността на водата е основно предимство.
• Тласкачи с по-висока мощност: В технологичен план разработчиците се стремят да повишат мощността и производителността на водните двигатели. Един пробив на хоризонта са водните Hall-ефект тласкачи – които комбинират ефективността на плазмените Hall двигатели с воден горивен материал. Планираният PBH тласкач на Pale Blue за 2028 г. е един пример blog.satsearch.co, а концептуалната система Hydra на URA Thrusters (двойна Hall + химическа) е друг blog.satsearch.co. Ако бъдат реализирани, тези системи биха могли да изпълняват мисии, които в момента са възможни само с химическо задвижване или големи електрически тласкачи, като бързи трансфери на орбита или междупланетни траектории, но с предимството на лесно презареждане с вода. Освен това Momentus и други изследват как да увеличат още повече ISP на своите MET, възможно чрез използване на по-високи микровълнови честоти или нови резонансни камери за по-ефективно прегряване на водата. Специфичен импулс от ~1000 s може да бъде постижим в следващите итерации, което би поставило водните тласкачи в лигата на традиционните йонни двигатели по отношение на ефективност.
• Интеграция в съзвездия: 2024 г. отбеляза първите значими повторни внедрявания на водно задвижване в сателитни съзвездия. Например всеки нов BlackSky сателит за изображения вече е оборудван с воден тласкач Bradford Comet за поддържане на орбитата, което означава, че десетки идентични апарати ще работят с воден горивен материал през целия си живот geekwire.com. Клъстерът от второ поколение на Hawkeye 360 (изстрелян 2022–2023) също използва водно задвижване за полет във формация. Това масово приемане само по себе си е пробив – водното задвижване вече не е просто еднократен експеримент, а стандартен компонент в някои флотилии. В бъдеще много предложени мегасъзвездия за IoT и наблюдение на Земята обмислят зелени опции за задвижване, като водата е на челно място поради ниската цена на системата. С увеличаване на производството на тези тласкачи, единичната цена ще пада, което допълнително ще насърчи приемането им.
• Нови приложения: Инженерите намират креативни нови начини да използват многофункционалността на водата. Една идея в разработка е електролизно базирано управление на ориентацията – използване на малки количества електролизиран газ за прецизни реактивни дюзи, след което водата се рекомбинира в затворен цикъл. Друга идея е използването на вода като работна маса в слънчева термична тяга: концентриране на слънчевата светлина за директно нагряване на водата до пара за тяга (по същество парен котел в космоса, задвижван от Слънцето, което може да бъде много ефективно във вътрешната Слънчева система). Изследователите също така тестват гориво на водна основа за спускаеми апарати и хопъри за Луната/Марс. Лунната мисия Flashlight на НАСА (макар и в крайна сметка да имаше проблеми) разглеждаше водата като кандидат за гориво в ранния си дизайн. И поглеждайки напред, водата може да бъде гориво за ядрени термични ракети или тяга с насочена енергия, където външен източник на енергия (като наземен лазер) нагрява водата на космическия апарат за създаване на тяга reddit.com. Безвредната природа на водата позволява тези нестандартни концепции, които биха били немислими с токсични или редки горива.
• Експертни препоръки: Революцията във водната тяга не е останала незабелязана от лидерите в космическата индустрия. Ентусиазираното застъпничество на Крис Хадфийлд за водните двигатели на Momentus spaceref.com, и цитати като „Сигурен съм, че водата е горивото на бъдещето“ от европейски проектни мениджъри ariane.group, отразяват нарастващ консенсус, че тази технология е тук, за да остане. В интервюта и конференции (като Small Satellite Conference и Space Propulsion Workshop през 2024 г.), експертите хвалят баланса между безопасност и производителност, който водните системи предлагат. „Добрата пропулсивна производителност трябва да бъде балансирана с безопасността – PTD-1 ще отговори на тази нужда,“ каза Дейвид Майер от НАСА при представянето на първата демонстрация на воден двигател nasa.gov. Това изказване точно обобщава защо водата набира популярност: тя попада в златната среда между високата производителност на химическата тяга и безопасността на електрическата тяга. Планиращите космически мисии все по-често повтарят това мнение в специализирани издания и панели.

Докато сме в 2025 г., траекторията за сателитни двигатели, задвижвани с вода, ясно сочи нагоре. Следващата голяма стъпка вероятно ще бъде водеща мисия, която наистина разчита на водно задвижване за постигане на критична цел – може би лунен CubeSat, който използва вода, за да влезе в орбита около Луната, или обслужващ апарат, който автономно се зарежда от депо и тегли сателит. Всяка година границите се разширяват. Ако настоящите тенденции продължат, до края на 2020-те може да видим водни двигатели, които задвижват космически апарати до астероиди и обратно, повдигат и свалят стотици сателити в орбита, и го правят с минимално въздействие върху околната среда и пълна възможност за презареждане в космоса. Това, което започна като нетрадиционна идея, се превърна в практическа технология, която може да направи космическите операции по-достъпни, устойчиви и гъвкави от всякога.

Заключение: Нова ера, задвижвана от H₂O

Сателитното задвижване с вода вече не е футуристична концепция – то е тук и се доказва мисия след мисия. За няколко години преминахме от първите струйки водна пара, които побутваха малък CubeSat, до напълно маневрени космически апарати, използващи вода за смяна на орбити и извършване на сложни операции. Привлекателността на водата като върховно гориво за космоса се крие в нейната елегантна простота. Както се отбелязва в технологичния доклад на ESA, водата е „недостатъчно използван ресурс – безопасен за работа и екологичен“, но съдържа „два много горими горива, след като се електролизира“, на практика съчетавайки силата на ракетно гориво в безобидна форма esa.int. Тази двойствена природа – лесно съхранение като течност, енергийна употреба като газ – дава на водата уникално предимство.

Ставаме свидетели на сближаване на фактори, които правят водните двигатели практични: по-добри малки електрически помпи и нагреватели, по-ефективни слънчеви панели за захранването им, 3D-принтирани двигатели, оптимизирани за пара или плазма, и бум на търсенето на малки сателити, които се нуждаят от евтино задвижване. Предизвикателствата (ограничена тяга, нужди от енергия) се преодоляват с иновативно инженерство, а успехите се трупат. Важно е, че водното задвижване съвпада с по-широкия стремеж към устойчивост в космоса – намаляване на токсичните химикали, удължаване живота на сателитите чрез презареждане и дори използване на извънземни ресурси. То превръща водата от консуматив за поддържане на живота във всестранен мобилен фактор за космическата инфраструктура.

В общественото въображение „ракетното гориво“ винаги е било нещо екзотично или опасно. Идеята, че водата – същото вещество, което пием и с което се къпем – може да изпраща сателити около Земята или отвъд, е завладяваща. Това понижава бариерата за навлизане в космическите начинания (не са нужни специализирани горива, а само изобретателност) и поражда визии за космически апарати, които спират до лунни ледени мини или астероидни резервоари, за да напълнят резервоарите си. Технологията все още се развива, но нейната траектория подсказва, че водните двигатели могат да станат толкова обичайни за сателитите, колкото електрическите мотори за автомобилите. Както се пошегува един индустриален ръководител, старата шега „просто добави вода“ може би ще важи и за бъдещето на космическите пътувания.

В заключение, задвижването на сателити с вода представлява промяна на парадигмата към по-безопасни, по-чисти и в крайна сметка по-мащабни космически операции. От малки CubeSat-и до потенциални междупланетни сонди, скромната молекула H₂O доказва, че има необходимите качества да ни отведе по-далеч. Докато инерцията (без игра на думи) продължава да нараства, не се изненадвайте, когато следващото заглавие гласи: “Космически апарати, задвижвани с вода, достигат Луната – и продължават нататък.” Епохата на водната ракета е настъпила и тя крие океан от възможности за следващото поколение космически изследвания spinoff.nasa.gov, spaceref.com.