När det gäller framtiden för utforskning av rymden är en av de största utmaningarna med motorer som kan maximera prestanda och samtidigt säkerställa bränsleeffektivitet. Detta kommer inte bara att sänka kostnaderna för enskilda uppdrag, utan kommer att säkerställa att robotrymfartyg (och till och med besättningsrymdfarkoster) kan arbeta under längre tid i rymden utan att behöva tanka.
Under de senaste åren har denna utmaning lett till några verkligt innovativa koncept, varav ett nyligen byggdes och testades för första gången av ett ESA-team. Detta motorkoncept består av en elektrisk thruster som kan "skopa" knappa luftmolekyler från toppen av atmosfären och använda dem som drivmedel. Denna utveckling kommer att öppna vägen för alla typer av satelliter som kan fungera i mycket låga banor runt planeter i flera år åt gången.
Konceptet med en luft-andning thruster (alias Ram-Electric Propulsion) är relativt enkelt. Kort sagt fungerar motorn enligt samma principer som en ramscoop (där interstellärt väte samlas för att ge bränsle) och en jonmotor - där uppsamlade partiklar laddas och matas ut. En sådan motor skulle undanröja drivmedlet ombord genom att ta in atmosfäriska molekyler när den passerade genom toppen av planetens atmosfär.
Konceptet var föremål för en studie med titeln "RAM Electric Propulsion for Low Earth Orbit Operation: An ESA Study", som presenterades vid den 30: e internationella konferensen för elektrisk framdrivning 2007. Studien betonade hur "Low Earth-bana satelliter är föremål för atmosfäriska dra och därmed begränsas deras livslängd med nuvarande framdrivningsteknologi av mängden drivmedel de kan bära för att kompensera för det. ”
Studiens författare indikerade också hur satelliter som använder elektrisk framdrivning med hög specifik impuls skulle kunna kompensera för drag under låg höjd under en längre tid. Men som de drar slutsatsen, skulle ett sådant uppdrag också begränsas till den mängd bränsle den kunde bära. Detta var verkligen fallet för ESA: s tyngdkraftsfält och GOCE-satellit (State Circulation Explorer) med tyngdkrafts-satellit,
Medan GOCE förblev i jorden omloppsbana i mer än fyra år och arbetade i höjder så låga som 250 km (155 mi), avslutade dess uppdrag det ögonblick då det uttömde sitt 40 kg (88 lbs) utbud av xenon som drivmedel. Som sådan har begreppet ett elektriskt framdrivningssystem som använder atmosfärmolekyler som drivmedel också undersökts. Som Dr. Louis Walpot från ESA förklarade i ett ESA-pressmeddelande:
"Detta projekt började med en ny design för att skaffa upp luftmolekyler som drivmedel från toppen av jordens atmosfär i cirka 200 km höjd med en typisk hastighet av 7,8 km / s."
För att utveckla detta koncept samarbetade det italienska flygindustriföretaget Sitael och det polska flygindustriföretaget QuinteScience för att skapa en ny intag och thruster-design. Medan QuinteScience byggde ett intag som skulle samla och komprimera inkommande atmosfäriska partiklar, utvecklade Sitael en tvåstegs thruster som skulle ladda och accelerera dessa partiklar för att generera drivkraft.
Teamet körde sedan datorsimuleringar för att se hur partiklar skulle bete sig över ett antal intagningsalternativ. Men till slut valde de att genomföra ett övningstest för att se om det kombinerade intaget och thrusteren skulle fungera tillsammans eller inte. För att göra detta testade teamet det i en vakuumkammare vid en av Sitaels testanläggningar. Kammaren simulerade en miljö i 200 km höjd medan en "partikelflödesgenerator" gav de kommande höghastighetsmolekylerna.
För att tillhandahålla ett mer fullständigt test och se till att thrusteren skulle fungera i en lågtrycksmiljö började teamet med att antända den med xenon-drivmedel. Walpot förklarade:
”I stället för att helt enkelt mäta den resulterande tätheten vid kollektorn för att kontrollera intagens design, beslutade vi att ansluta en elektrisk thruster. På det här sättet bevisade vi att vi verkligen kunde samla och komprimera luftmolekylerna till en nivå där thruster-tändning kunde äga rum och mäta den verkliga drivkraften. Först kontrollerade vi att thrusteren kunde antändas upprepade gånger med xenon samlat från partikelstrålgeneratorn. ”
Som nästa steg ersätter laget delvis xenon med en kväve-syre-luftblandning för att simulera jordens övre atmosfär. Som hoppats fortsatte motorn att skjuta, och det enda som ändrades var färgen på drivkraften.
"När den xenonbaserade blåfärgen på motorröret ändrades till lila, visste vi att vi hade lyckats," sade Dr. Walpot. ”Systemet antändes slutligen upprepade gånger enbart med atmosfärisk drivmedel för att bevisa konceptets genomförbarhet. Detta resultat innebär att elektrisk framdrivning av luftandning inte längre bara är en teori utan ett konkret, fungerande koncept, redo att utvecklas, för att tjäna en dag som grunden för en ny klass av uppdrag. ”
Utvecklingen av elektriska luftmotorer som andas i luften kan möjliggöra en helt ny klass av satellit som kan fungera med utkanten av Mars ', Titans och andra kroppsatmosfärer i flera år åt gången. Med den här typen av operationell livslängd kunde dessa satelliter samla in mängder data om dessa kroppers meteorologiska förhållanden, säsongsförändringar och historien för deras klimat.
Sådana satelliter skulle också vara mycket användbara när det gäller att observera jorden. Eftersom de skulle kunna arbeta i lägre höjder än tidigare uppdrag, och inte skulle begränsas av mängden drivmedel de kunde bära, kunde satelliter utrustade med luftandningsande thrusterar arbeta under längre tid. Som ett resultat kunde de erbjuda mer djupgående analyser av klimatförändringar och noggrant övervaka meteorologiska mönster, geologiska förändringar och naturkatastrofer.
