Când vine vorba de viitorul explorării spațiale, una dintre cele mai mari provocări este reprezentată de motoarele care pot maximiza performanța, asigurând totodată eficiența combustibilului. Acest lucru nu va reduce doar costurile misiunilor individuale, ci va asigura că navele spațiale robotizate (și chiar navele spațiale echipate) pot funcționa pe perioade îndelungate de timp în spațiu, fără a fi nevoie de realimentare.
În ultimii ani, această provocare a dus la unele concepte cu adevărat inovatoare, dintre care unul a fost recent construit și testat pentru prima dată de o echipă ESA. Acest concept al motorului constă dintr-un propulsor electric care este capabil să „scoată” molecule rare de aer din vârfurile atmosferelor și să le folosească ca propulsor. Această dezvoltare va deschide calea pentru tot felul de sateliți care pot opera pe orbite foarte scăzute în jurul planetelor timp de ani de zile.
Conceptul de propulsor cu respirație de aer (alias. Ram-Electric Propulsion) este relativ simplu. Pe scurt, motorul funcționează pe aceleași principii ca un ramscoop (unde hidrogenul interstelar este colectat pentru a furniza combustibil) și un motor cu ioni - unde particulele colectate sunt încărcate și evacuate. Un astfel de motor s-ar îndepărta de propulsorul de la bord prin preluarea moleculelor atmosferice pe măsură ce trece prin vârful atmosferei unei planete.
Conceptul a făcut obiectul unui studiu intitulat „Propulsie electrică RAM pentru operațiunea pe orbită a pământului scăzut: un studiu ESA”, care a fost prezentat la cea de-a 30-a Conferință Internațională de Propulsie Electrică în 2007. trageți și astfel viața lor este limitată cu tehnologiile actuale de propulsie de cantitatea de propulsor pe care o pot transporta pentru a compensa. ”
Autorii studiului au indicat, de asemenea, modul în care sateliții care utilizează propulsie electrică cu impulsuri specifice ar fi capabili să compenseze tragerile în timpul funcționării la altitudine mică pentru o perioadă lungă de timp. Dar, după cum concluzionează, o astfel de misiune ar fi limitată și la cantitatea de combustibil pe care ar putea-o transporta. Acesta a fost, cu siguranță, cazul câmpului gravitației ESA și al satelitului de gravitație Ocean-Circulation Explorer (GOCE) în stare constantă;
În timp ce GOCE a rămas pe orbita Pământului mai mult de patru ani și a funcționat la altitudini de până la 250 km (155 mi), misiunea sa s-a încheiat în momentul în care a epuizat 40 kg (88 lbs) de xenon ca propulsor. Ca atare, a fost studiat și conceptul unui sistem de propulsie electrică care utilizează molecule atmosferice ca propulsor. După cum a explicat dr. Louis Walpot, de la ESA, într-un comunicat de presă al ESA:
„Acest proiect a început cu un design nou pentru a scoate molecule de aer ca propulsor din vârful atmosferei Pământului la aproximativ 200 km altitudine cu o viteză tipică de 7,8 km / s.”
Pentru a dezvolta acest concept, compania aerospațială italiană Sitael și compania aerospațială poloneză QuinteScience s-au alăturat pentru a crea un nou design de admisie și propulsie. În timp ce QuinteScience a construit un aport care ar colecta și comprima particulele atmosferice de intrare, Sitael a dezvoltat un propulsor cu două etape, care ar încărca și accelera aceste particule pentru a genera impuls.
Apoi, echipa a efectuat simulări pe computer pentru a vedea cum se vor comporta particulele într-o serie de opțiuni de admisie. În cele din urmă, au ales să efectueze un test de practică pentru a vedea dacă aportul combinat și propulsorul vor lucra împreună sau nu. Pentru a face acest lucru, echipa a testat-o într-o cameră de vid la una dintre instalațiile de testare ale Sitael. Camera a simulat un mediu la 200 km altitudine, în timp ce un „generator de flux de particule” a furnizat moleculele de mare viteză.
Pentru a furniza un test mai complet și a se asigura că propulsoarea va funcționa într-un mediu cu presiune scăzută, echipa a început prin aprinderea acestuia cu propulsor xenon. Walpot a explicat:
„În loc să măsurăm pur și simplu densitatea rezultată la colector pentru a verifica proiectul de admisie, am decis să atașăm un propulsor electric. În acest fel, am demonstrat că într-adevăr am putea colecta și comprima moleculele de aer la un nivel în care ar putea avea loc aprinderea propulsorului și să măsurăm împingerea reală. La început am verificat că propulsorul nostru ar putea fi aprins în mod repetat cu xenon colectat din generatorul de fascicule de particule. "
Ca pas următor, echipa înlocuiește parțial xenonul cu un amestec de aer azot-oxigen pentru a simula atmosfera superioară a Pământului. După cum se spera, motorul a continuat să tragă, iar singurul lucru care s-a schimbat a fost culoarea tragerii.
„Atunci când culoarea albastră a motorului pe bază de xenon a devenit schimbată în violet, știam că vom reuși”, a spus dr. Walpot. „În sfârșit, sistemul a fost aprins în repetate rânduri doar cu propulsor atmosferic pentru a demonstra fezabilitatea conceptului. Acest rezultat înseamnă că propulsia electrică cu respirație de aer nu mai este doar o teorie, ci un concept tangibil și funcțional, gata de a fi dezvoltat, pentru a servi o zi ca bază a unei noi clase de misiuni. "
Dezvoltarea propulsoarelor electrice cu respirație de aer ar putea permite o clasă cu totul nouă de sateliți care ar putea funcționa cu marginea atmosferei Marte, Titan și a altor corpuri timp de ani de zile. Cu acest tip de viață operațională, acești sateliți ar putea aduna volume de date despre condițiile meteorologice ale acestor corpuri, schimbările sezoniere și istoricul climatelor lor.
Astfel de sateliți ar fi de asemenea foarte utili atunci când vine vorba de observarea Pământului. Întrucât ar putea să funcționeze la altitudini mai mici decât misiunile anterioare și nu ar fi limitate de cantitatea de propulsor pe care le puteau transporta, sateliții echipate cu propulsoare cu respirație de aer ar putea opera pe perioade îndelungate de timp. Drept urmare, acestea ar putea oferi analize mai aprofundate asupra schimbărilor climatice și ar putea monitoriza mai îndeaproape modelele meteorologice, schimbările geologice și catastrofele naturale.
