Jeśli chodzi o przyszłość eksploracji kosmosu, jednym z największych wyzwań jest opracowanie silników, które mogą zmaksymalizować wydajność przy jednoczesnym zapewnieniu oszczędności paliwa. To nie tylko obniży koszty poszczególnych misji, ale także zapewni, że robotyczny statek kosmiczny (a nawet statek z załogą) będzie mógł działać w kosmosie przez dłuższy czas bez konieczności tankowania.
W ostatnich latach wyzwanie to doprowadziło do powstania kilku naprawdę innowacyjnych koncepcji, z których jedna została niedawno zbudowana i przetestowana po raz pierwszy przez zespół ESA. Ta koncepcja silnika składa się z elektrycznego pędnika, który jest w stanie „wyłapać” rzadkie cząsteczki powietrza z górnych warstw atmosfery i wykorzystać je jako paliwo. Rozwój ten otworzy drogę dla wszystkich rodzajów satelitów, które mogą latać na bardzo niskich orbitach wokół planet.
Koncepcja sterowanego powietrzem pędnika (znanego również jako Ram-Electric Propulsion) jest stosunkowo prosta. Krótko mówiąc, silnik działa na tych samych zasadach, co ramscoop (gdzie międzygwiezdny wodór jest zbierany w celu dostarczenia paliwa) i silnik jonowy - w którym zebrane cząstki są ładowane i wyrzucane. Taki silnik zlikwidowałby pokładowy gaz pędny, przyjmując cząsteczki atmosferyczne, gdy przechodziły one przez szczyt atmosfery planety.
Koncepcja ta była przedmiotem badania zatytułowanego „RAM Electric Propulsion for Low Earth Orbit Operation: An ESA Study”, który został zaprezentowany na 30. Międzynarodowej Konferencji Napędu Elektrycznego w 2007 roku. Badanie podkreśliło, w jaki sposób „Satelity na niskiej orbicie ziemskiej podlegają wpływom atmosferycznym przeciąganie, a tym samym ich żywotność jest ograniczona obecnymi technologiami napędowymi o ilość paliwa, którą mogą one przenosić, aby to zrekompensować. ”
Autorzy badania wskazali również, w jaki sposób satelity wykorzystujące napęd elektryczny o wysokim impulsie mogą kompensować opór podczas operacji na niskich wysokościach przez dłuższy czas. Ale, jak podsumowują, taka misja byłaby również ograniczona do ilości paliwa, którą mógłby przewieźć. Tak było z pewnością w przypadku pola grawitacyjnego ESA i satelity GOCE (Ocean Circulation Explorer) w stanie ustalonym,
Podczas gdy GOCE pozostawał na orbicie Ziemi przez ponad cztery lata i działał na wysokościach tak niskich jak 250 km (155 mil), jego misja zakończyła się w momencie wyczerpania zapasów ksenonu jako paliwa jako 40 kg (88 funtów). Jako taka, zbadano również koncepcję elektrycznego układu napędowego, w którym cząsteczki atmosferyczne wykorzystują jako propelent. Jak wyjaśnił dr Louis Walpot z ESA w komunikacie prasowym ESA:
„Ten projekt rozpoczął się od nowatorskiego projektu wychwytywania cząsteczek powietrza jako gazu pędnego z atmosfery ziemskiej na wysokości około 200 km z typową prędkością 7,8 km / s.”
Aby rozwinąć tę koncepcję, włoska firma lotnicza Sitael i polska firma lotnicza QuinteScience połączyły siły, aby stworzyć nowatorski projekt wlotu i steru strumieniowego. Podczas gdy QuinteScience zbudował wlot, który gromadziłby i kompresował nadlatujące cząstki atmosferyczne, Sitael opracował dwustopniowy silnik strumieniowy, który ładowałby i przyspieszał te cząsteczki w celu wytworzenia ciągu.
Zespół przeprowadził następnie symulacje komputerowe, aby zobaczyć, jak zachowują się cząsteczki w różnych opcjach spożycia. Ale w końcu postanowili przeprowadzić test próbny, aby sprawdzić, czy połączone wlot i pędnik będą działać razem, czy nie. Aby to zrobić, zespół przetestował go w komorze próżniowej w jednym z obiektów testowych Sitael. Komora symulowała środowisko na wysokości 200 km, podczas gdy „generator przepływu cząstek” zapewniał nadchodzące szybkie cząsteczki.
Aby zapewnić bardziej kompletny test i upewnić się, że ster strumieniowy będzie działał w środowisku o niskim ciśnieniu, zespół rozpoczął od zapalenia go za pomocą paliwa ksenonowego. Walpot wyjaśnił:
„Zamiast po prostu zmierzyć wynikową gęstość w kolektorze, aby sprawdzić projekt wlotu, zdecydowaliśmy się na elektryczny ster strumieniowy. W ten sposób udowodniliśmy, że rzeczywiście możemy gromadzić i sprężać cząsteczki powietrza do poziomu, na którym może zajść zapłon steru strumieniowego, i mierzyć rzeczywisty ciąg. Na początku sprawdziliśmy, czy nasz pędnik może być wielokrotnie zapalany z ksenonem zebranym z generatora wiązki cząstek. ”
W kolejnym etapie zespół częściowo zastąpił ksenon mieszaniną powietrza i tlenu z azotem, aby zasymulować górną atmosferę Ziemi. Zgodnie z oczekiwaniami silnik odpalał, a jedyną rzeczą, która się zmieniła, był kolor ciągu.
„Gdy niebieski kolor pióropuszu silnika oparty na ksenonach zmienił się na fioletowy, wiedzieliśmy, że nam się uda” - powiedział dr Walpot. „W końcu system był wielokrotnie zapalany wyłącznie atmosferycznym gazem pędnym, aby udowodnić wykonalność koncepcji. Ten wynik oznacza, że oddychający powietrzem napęd elektryczny nie jest już tylko teorią, ale namacalną, działającą koncepcją, gotową do opracowania, która posłuży pewnego dnia jako podstawa nowej klasy misji ”.
Rozwój elektrycznych pędników sterujących powietrzem może pozwolić na stworzenie zupełnie nowej klasy satelity, która przez lata działałaby na obrzeżach atmosfery Marsa, Tytana i innych ciał. Przy tego rodzaju operacyjnym okresie życia satelity te mogą gromadzić dane na temat warunków meteorologicznych tych ciał, zmian sezonowych i historii ich klimatu.
Takie satelity byłyby również bardzo przydatne, jeśli chodzi o obserwowanie Ziemi. Ponieważ byłyby w stanie operować na niższych wysokościach niż poprzednie misje i nie byłyby ograniczone ilością paliwa, które mogliby nosić, satelity wyposażone w pędniki powietrzne mogły działać przez dłuższy czas. W rezultacie mogą zaoferować bardziej dogłębne analizy zmian klimatu i ściślej monitorować wzorce meteorologiczne, zmiany geologiczne i klęski żywiołowe.
