George-Cristian Potrivitu este inventatorul unui motor Hall amplasat pe cel mai mic nanosatelit trimis în spațiu

Pe 13 ianuarie 2022, racheta Falcon-9 aparținând companiei SpaceX (fondată de Elon Musk) s-a desprins de pământ la Cape Canaveral Space Force Station, Florida, cu misiunea de a lansa pe orbită cei 105 micro și nano sateliți aflați la bord. Printre aceștia, un nanosatelit acționat de un motor cu plasmă proiectat și realizat de o echipă condusă de un tânăr român – George-Cristian Potrivitu, împreună cu colegul său singaporez, Dr. Mark Lim. Momentul desprinderii micului satelit a marcat o premieră în noua eră spațială – pentru prima dată în industria spațială când un motor cu efect Hall este plasat pe un nanosatelit cu dimensiunile de 10 cm x 10 cm x 30 cm, cel mai mic satelit cu un motor din această clasă de motoare – dar și un succes extraordinar pentru românul nostru, care în doi ani a reușit, împreună cu colegul său singaporez și echipa pe care o conduc împreună, o performanță încă neegalată de alte companii din lume.

În 2019, la un eveniment care a avut loc la ArtScience Museum, în Singapore, pentru a celebra 50 de ani de la primul om pe Lună. „Am expus la muzeu o replică a satelitului si a sistemului de propusie care sunt acum pe orbita. Tot atunci am ținut o prelegere publică despre folosirea sateliților pentru cercetare în astrofizică.”

În 2016 scriam despre George-Cristian Potrivitu, un tânăr român pe-atunci masterand la o universitate din Toulouse, după ce avusese mai multe burse Erasmus în universități din Italia, Germania și Suedia. Au urmat stagii de cercetare la Laboratoarele Funaki, din Tokyo, Institutul de Științe Spațiale Astronautice și la Centrul Național pentru Cercetare științifică din Orléans (Franța). A obținut două titluri de masterat în științe și tehnologii spațiale și instrumentație satelitară și s-a înscris la doctorat, în Singapore. Am crezut atunci că ascensiunea lui George a atins o culme academică, dar știam că are un vis. Pentru a și-l împlini, George a plecat în urmă cu 5 ani la studii doctorale tocmai în Singapore, la Nanyang Technological University (NTU), ca bursier al National Institute of Education, Singapore (NIE). Doctorand, asistent universitar și… antreprenor! Acum mai bine de 3 ani, George a răspuns provocării lansate colegul lui, Mark Lim, și a co-fondat împreună cu colegul său singaporez un startup în Singapore, Aliena (www.aliena.sg). Mica lor companie a reușit să atragă prima serie de investiții (în valoare de 1,1 milioane de dolari de la firme din Singapore, Australia și SUA) și câteva contracte de cercetare. Anul trecut, George și-a terminat teza de doctorat (așteaptă programarea susținerii) și s-a alăturat ca CTO (Chief Technology Officer) noii companii. „Suntem o echipă de mică de 10 ingineri stagiari lucrând la sediul nostru, unde am pus pe picioare un laborator capabil să construiască și să testeze motoare cu plasmă și chiar să asambleze sateliți de mici dimensiuni”. Cum a ajuns la această realizare extraordinară ne spune însuși autorul ei:

Doctorand bursier, cercetător și asistent universitar la NTU Singapore

„De mai bine de 4 ani locuiesc la Singapore, aproape de Ecuator. Planul fusese să continui cu un doctorat în Franța, la Universitatea din Orléans, în aceeași echipă în care am făcut cercetare în 2017. Însă în cele din urmă am ales să mă alatur unei echipe tinere aflată la început de drum în cercetarea propulsiei electrice spațiale la peste 10,000 km distanță de Europa natală, în Singapore. Așa că, în ianuarie 2018 mi-am început studiile doctorale la Nanyang Technological University (NTU) ca bursier al National Institute of Education, Singapore (NIE). Cercetarea pentru teza de doctorat s-a axat pe catozii emisivi folosiți ca surse de electroni pentru propulsoarele cu plasmă de mică putere și a avut loc la Space Propulsion Centre (SPC), Singapore sub coordonarea profesorului universitar Xu Shuyan. În noiembrie 2021 am încheiat cercetarea și am predat teza de doctorat spre revizie, iar acum aștept cu nerăbdare stabilirea datei pentru susținerea orală.

Cei aproape patru ani petrecuți la NIE/NTU au fost o oportunitate pentru a crește ca tânăr cercetător și a exersa și imbunătăți cunoștințele avute despre fizica plasmei aplicate pentru propulsia electrică spațială. Am avut totodată șansa de a asista profesorul meu coordonator la cursul de mecanică pentru studenții de la licență, asta fiind prima mea experiență de la catedră. Experiența de asistent universitar s-a extins și la unul din cursurile obligatorii pentru orice nou student doctorand la NTU: university teaching for teaching assistants, sau predatul pentru asistenții universitari, un curs de pedagogie pe care l-am trecut cu success și pentru care am devenit la rându-mi asistent universitar, timp de 4 semestre. Experiența predatului a fost cu adevarat formidabilă și sper ca pe viitor să mai am șansa de a sta la catedră.

Co-fondator și CTO al unui startup: Aliena

Aliena s-a „născut” în august 2018, când doar 6 luni trecuseră de la începerea doctoratului. Ideea a venit colegului meu Dr Mark Lim, care cu doar câteva luni înainte terminase doctoratul în fizica plasmei la același centru de cercetare unde eu mi-am început studdile doctorale. După câteva discuții am ajuns amândoi la concluzia că eram într-un moment oportun pentru a desprinde un astfel de start-up din universitate cu scopul clar de a proiecta, construi și comercializa sisteme de propulsie cu plasmă de mică putere capabile să deservească sateliți de mici dimensiuni. Acest lucru a fost influențat de o tendință a pieței de sateliți care arata că din ce în ce mai mulți sateliți de mici dimensiuni sunt trimiși în spațiu în fiecare an, comparativ cu sateliții de mari dimensiuni. Ori astfel de sateliți mici au nevoie de sisteme de propulsie (motoare) care să consume puțin combustibil, facând propulsia electrică cu plasmă ca prim candidat pentru o astfel de sarcină. În plus, pe lângă consumul scăzut de combustibil, motoarele cu plasmă trebuie să consume și puțină putere electrică, ori primul produs pe care l-am propus avea să reducă puterea electrică consumata de un motor cu efect Hall (un tip de propulsie cu plasmă larg utilizat pentru sateliți încă din anii ‘70) la un minim care să nu depășească 10 W (mai puțin decât consumă un banal bec). Așa a venit ideea primului motor pe care eu l-am inventat și care mai apoi avea să ajungă în spațiu pe 13 ianuarie 2022, plasat fiind pe un nanosatelit și lansat de către o rachetă Falcon 9 a companiei americane SpaceX.

George Cristian Potrivitu și startaupul Aiena

Împreuna cu colegul lui, Dr Mark Lim, CEO si co-fondator Aliena. „Eu țin în mână o replică a sistemului de propulsie cu plasma care e acum în spațiu. În fundal este una dintre camerele de vid de la laboratorul nostru, Jet Propulsion Test Facility, iar dacă te uiți cu atenție prin hublou, poți vedea plasma facută de motorul nostru”.

Desprinderea de universitate a însemnat necesitatea construirii unui laborator și a unui loc în care inginerii și stagiarii vor putea lucra. Finanțarea inițială a venit de la trei fonduri de investiții din Singapore, Australia și Statele Unite, în timp ce universitatea a contribuit și ea prin incubatorul de companii pe care îl conduce. În acest fel, la începutul lui 2020 am pus pe picioare laboratorul nostru, Jet Propulsion Test Facility, și am început să construim echipa de ingineri. Inginerul principal este din Italia cu un doctorat și post-doctorat în Israel, ambele în propulsia electrică spațială, iar ceilalți ingineri sunt din Malaezia, India și Singapore, cu studii în inginerie aerospațială, technologii spațiale, mecanică și electronică. Suntem o echipă mică și tânără cu o media de vârstă în jur de 30 de ani.

Laboratorul, clienții și concurența

Orice laborator de propulsie cu plasmă trebuie să aibă camere de vid. Astfel de camere sunt incinte metalice închise ermetic care au atașate de ele pompe turbomoleculare și criogenice care evacuază aerul din interiorul camerei producând un vid similar cu cel din spațiu. În acest fel reușim să replicăm mediul în care motoarele noastre vor funcționa pe orbită. Laboratorul Aliena are trei astfel de camere de vid, una de mari dimensiuni folosită pentru teste de anduranță și calificare a sistemelor de propulsie construite de noi, și două de mici dimensiuni folosite pentru testarea rapidă a prototipurilor. Pe lângă camerele de vid avem și un „clean room” unde asamblăm sistemele de propulsie pe care le producem și bineînțeles un atelier cu mai toate cele trebuincioase pentru cosntrucția unui motor cu plasmă.

Câteva din proiectele noastre sunt proiecte de cercetare împreună cu parteneri internaționali și finanțate de către agenții guvernamentale. Suntem parte și a unui proiect local prin intemediul căruia am reușit să comercializam sistemele noastre de propulsie cu plasmă pentru un microsatelit.

Sunt cateva companii din Statele Unite și din Europa care produc astfel de sisteme de propulsie cu plasmă de mică putere, însă considerăm că avem un avantaj tehnologic, iar motoarele noastre oferă un optim de consum de putere pentru forța propulsivă pe care o produc. În plus, încercăm să fim foarte competitivi din punct de vedere al costurilor pentru un astfel de sistem de propulsie și să reușim să furnizam clienților produsele în maximum 12 luni, un timp foarte scurt comparativ cu alți competitori.

Colaborarea cu SpaceX. Motorul cu plasmă

Orice companie poate lansa un satelit pe orbită cu SpaceX dacă acel satelit trece testele impuse de către compania americană și bineînțeles dacă o taxă de lansare este platită (această taxă este proporționala cu greutatea satelitului). Așadar Aliena, compania pe care am co-fondat-o, împreună cu un alt start-up local care a construit nanosatelitul, au contractat SpaceX pentru plasarea lui pe orbită. Motorul nostru, fiind un motor cu plasmă din clasa de motoare cu efect Hall, consumă foarte puțin combustibil (xenon, un gaz nobil și inert) și are avantajul de a funcționa un timp îndelungat, chiar și când este amplasat pe un satelit de dimensiuni mici care nu are spațiu pentru un rezervor mare de combustibil. În plus, propulsorul consumă puțină putere electrică și de aceea a put fi amplasat pe un nanosatelit (satelitul e cam cât o cutie de pantofi de mare), ținând cont că suprafața panourilor solare este limitată. În ultima vreme a devenit tot mai pronunțat un trend de miniaturizare a sateliților, ori sateliți de mici dimensiuni nu pot ambarca decât propulsoare care consumă puțin combustibil (cu rezervoare mici) și puțină putere electrică.

Sunt multe piedici care apar în procesul de miniaturizare a propulsoarelor cu plasmă. De cele mai multe ori, o diminuare a puterii electrice duce la o scădere abruptă a eficienței propulsorului. Propulsorul construit de Aliena reduce necesitatea folosirii unui catod emisiv ca sursă de electroni, reducând nivelul de consum de putere electrică până la un minim. Neutralizarea fascicolului de plasmă produs de propulsor se realizează în mod pasiv de către un element emisiv în timp ce descărcarea electrică este menținută de către o geometrie atipică a propulsorului bazată pe suprafețe foarte ascuțite care măresc intensitatea locală a câmpului electric.

Lansare cu emoții și succes

Emoții e puțin spus! Au fost momente formidabile cu multe lacrimi de bucurie! Am răsuflat ușurat știind că toată munca depusă în ultimii ani a ajuns acolo unde am vrut dintotdeauna, pe orbita în jurul Pământului. Au fost momente tensionate pentru că orice se poate întâmpla în timpul unei lansări de rachetă, iar rezultatele nu sunt întotdeauna cele așteptate. Însă lansarea din 13 ianuarie 2022 a decurs conform planului, iar nanosatelitul cu motorul nostru a fost plasat cu success pe orbită la 530 km altitudine.

Pentru noi, ca tânară companie, această lansare este extrem de importantă. Am arătat că putem construi un produs care să fie plasat pe orbită în mai puțin de doi ani, de la o simplă schiță până la calificarea completă a sistemului propulsiv. Este pentru prima dată în industria spațială când un motor cu efect Hall este plasat pe un nanosatelit cu dimensiunile de 10 cm x 10 cm x 30 cm, cel mai mic satelit cu un motor din această clasă de motoare. Mai mult decât atât, propulsorul nostru este primul propulsor cu efect Hall care să funcționeze la mai puțin de 10 W putere electrică. Bineînțeles, reușita lansării este importantă și pentru ecosistemul spațial din Singapore, fiind pentru prima dată când două companii private locale, ambele start-up-uri, reușesc să plaseze pe orbită un satelit de mici dimensiuni cu un propulsor cu plasmă la bord.

Așadar, plasarea pe orbită a propulsorului nostru a arătat că suntem capabili de acest lucru și va convinge potențialii clienți în a achiziționa sistemele de propulsie pe care le oferim. În același timp, vine și ca o confirmare pentru investitorii noștri care au crezut în noi și ne-au ajutat de la bun început.

Cel mai mare atu la micii companii

Cred că cel mai mare atu pe care Aliena îl posedă sunt inginerii care lucrează zi de zi la Jet Propulsion Test Facility, laboratorul companiei noastre. Am avut șansa să construim o echipă cu oameni bine instruiți, vizionari și adevarati profesioniști în domeniile lor, oameni care au crezut în mine si colegul meu că putem să realizam lucruri extraordinare într-un timp foarte scurt. Fără devotamentul extraordinar al acestei echipe tinere, nu ar fi fost posibil ca motorul cu palsmă pentru sateliți care este acum în spațiu orbitând în jurul Pământului la peste 7 km/s să ajungă acolo în mai puțin de 2 ani, de la o simplă schiță pe o foaie albă de hârtie. Suntem tineri și entuziaști, ne mișcăm foarte repede într-o industrie mereu în schimbare și suntem foarte focalizați pe ceea ce vrem să demonstrăm: că suntem capabili să proiectam, să construim și să testam sisteme de propulsie cu plasmă pentru sateliți de mici dimensiuni pentru clienții noștri și să ne asiguram un loc la nivel global în industria de tehnologii spațiale.

„În Laboratorul nostru, iar în spate este camera mare de vid unde testăm motoarele”

Proiecte în derulare și planuri de viitor

Pentru moment dorim să finalizăm optimizarea sistemului nostru de propulsie și să îl facem atractiv și pentru sateliții de dimensiuni mai mari (microsateliți, până la 150 kg). Bineînțeles, atenția nostră este îndreptată spre găsirea potențialilor clienți care ar pute folosi propulsoarele noastre în misiunile lor spațiale.

Însă planul pe care Aliena îl urmărește este acela de a deveni un furnizor de servicii de date de pe orbite joase, foarte aproape de Pământ. Aceste date pot fi sub forma de imagini optice sau radar și chiar telecomunicații. Orbitarea foarte aproape de Pământ duce la o mărire a rezoluției imaginilor, iar astfel datele colectate au o valoare mai mare. Însă a orbita foarte aproape de Pământ nu e simplu, pentru că frecarea cu straturile superioare ale atmosferei duce la o deorbitare rapidă a sateliților. Pentru aceast impediment avem deja soluția: propulsoarele noastre cu plasmă de mică putere pot fi amplasate pe astfel de sateliți care să orbiteze mult mai aproape de Pământ. E un plan ambițios, însă suntem gata să muncim și mai mult pentru a-l împlini!

Filmul lansării: