Az űrkutatás jövőjével kapcsolatban az egyik legnagyobb kihívás a motorok felmerülése, amelyek maximalizálják a teljesítményt, miközben biztosítják az üzemanyag-hatékonyságot is. Ez nemcsak az egyéni küldetések költségeit csökkenti, hanem biztosítja, hogy a robot űrhajók (és akár a legénységgel űrhajók) hosszabb ideig működhessenek az űrben anélkül, hogy utántöltést kellene végrehajtaniuk.
Az utóbbi években ez a kihívás valóban innovatív koncepciókhoz vezetett, amelyek egyikét nemrégiben építették fel és tesztelték egy ESA-csapat. Ez a motorkoncepció egy elektromos tolómérőből áll, amely képes a szűkös levegőmolekulák „kimásására” a légkör tetején, és hajtóanyagként való felhasználására. Ez a fejlődés mindenféle műholdak számára megnyitja az utat, amelyek évente egyszerre nagyon alacsony pályán futhatnak bolygók körül.
A levegőt légző indítószerkezet (más néven Ram-Electric meghajtás) fogalma viszonylag egyszerű. Röviden: a motor ugyanazon alapelvek szerint működik, mint az alsó tekercs (ahol a csillagközi hidrogént összegyűjtik, hogy üzemanyagot biztosítsanak) és az ionmotor - ha az összegyűjtött részecskék töltésre és kilökésre kerülnek. Egy ilyen motor megszünteti a fedélzeti hajtóanyagot, ha beveszi a légköri molekulákat, amikor áthaladtak a bolygó légkörének tetején.
A koncepcióról egy „RAM elektromos meghajtás az alacsony földi pálya működéséhez: ESA tanulmány” című tanulmány tárgya volt, amelyet 2007-ben a 30. nemzetközi elektromos meghajtási konferencián mutattak be. húzza, és így élettartamukat a jelenlegi meghajtó technológiák korlátozzák a hajtóanyag mennyiségével, amelyet a kompenzációhoz hordozhatnak. "
A tanulmány szerzői azt is megmutatták, hogy a nagy fajlagos impulzusú elektromos meghajtást használó műholdak képesek lennének kompenzálni a húzódást alacsony tengerszint feletti üzemeltetésnél hosszabb ideig. De amint arra következtetnek, egy ilyen küldetés az üzemanyag mennyiségére is korlátozódna, amelyet képes szállítani. Ez minden bizonnyal így volt az ESA gravitációs mezőjére és az Állandó Államállapotú Ocean Circulation Explorer (GOCE) gravitációs térképező műholdra,
Míg a GOCE több mint négy évig a Föld körüli pályán maradt, és 250 km-es (155 mérföld) magasságon működött, küldetése akkor fejeződött be, amikor kimerítette a 40 kg-os (88 font) xenonkészletet hajtóanyagként. Mint ilyen, megvizsgálták egy olyan elektromos meghajtó rendszer koncepcióját is, amely légköri molekulákat hajtóanyagként használ fel. Ahogyan Dr. Louis Walpot, az ESA az ESA sajtóközleményében kifejtette:
"Ez a projekt egy új tervvel indult, amelynek célja a légmolekuláknak a Föld légkörének tetejéből, 200 km-es magasságban, tipikus 7,8 km / s sebességgel történő lemorzsolása."
Ennek a koncepciónak a kidolgozása érdekében az olasz Sitael repülőgépgyártó cég és a lengyel QuinteScience repülőgépgyártó vállalat összeállt, hogy új bemeneti és dobogós kialakítást hozzon létre. Míg a QuinteScience egy beszívónyílást épített fel, amely összegyűjti és összenyomja a bejövő légköri részecskéket, a Sitael kifejlesztett egy kétfokozatú lövöldözőt, amely ezeket a részecskéket feltölti és felgyorsítja a tolóerő előállításához.
A csoport ezután számítógépes szimulációkat végzett, hogy megvizsgálja, hogyan viselkednek a részecskék a beviteli lehetőségek széles skáláján. De végül úgy döntöttek, hogy gyakorlati tesztet végeznek annak megállapítására, hogy a kombinált szívóberendezés és a tolóerő együttesen működnek-e vagy sem. Ennek érdekében a csapat kipróbálta egy vákuumkamrában a Sitael egyik vizsgálóhelyén. A kamra egy környezetet szimulált 200 km magasságban, míg egy “részecskeáram-generátor” biztosította a közelgő nagysebességű molekulákat.
A teljesebb teszt biztosítása és annak biztosítása érdekében, hogy a lökhárító alacsony nyomású környezetben működjön, a csapat azzal kezdte, hogy meggyújtotta xenon-hajtóanyaggal. Walpot kifejtette:
„Ahelyett, hogy egyszerűen megmértük a kapott sűrűséget a kollektoron, hogy ellenőrizzük a szívófelület kialakítását, úgy döntöttünk, hogy csatlakoztatunk egy elektromos tolómérőt. Ilyen módon bebizonyítottuk, hogy a levegőmolekulákat valóban összegyűjthetjük és összenyomhatjuk olyan szintre, ahol a hajtómű meggyulladhat, és megmérhetjük a tényleges tolóerőt. Először azt ellenőriztük, hogy a rámutatók ismételten meggyulladhatnak-e a részecskenyaláb-generátorból összegyűjtött xenon segítségével. ”
Következő lépésként a csapat részben kicseréli a xenont nitrogén-oxigén-levegő keverékkel a Föld felső légkörének szimulálására. Ahogy reméltük, a motor tovább lőtt, és az egyetlen dolog, ami megváltozott, a tolóerő színe volt.
"Amikor a motor hengerének xenon alapú kék színe lila lett, tudtuk, hogy sikerrel jöttünk" - mondta Dr. Walpot. „A rendszert végül többször, csak légköri hajtóanyaggal gyújtották be, hogy bizonyítsák a koncepció megvalósíthatóságát. Ez az eredmény azt jelenti, hogy a levegővel lélegző elektromos meghajtás már nem csupán elmélet, hanem kézzelfogható, működőképes koncepció, amely készen áll a fejlesztésre, hogy egy nap szolgáljon új missziók osztályának alapjául. ”
A légzéses légzőkészülékek kifejlesztése lehetővé tenné egy teljesen új műholdas osztály létrehozását, amely évekkel egyidejűleg képes működni a Mars, a Titan és más testek légkörének peremén. Ilyen működési élettartam mellett ezek a műholdak nagy mennyiségű adatot gyűjthetnek e test meteorológiai körülményeiről, szezonális változásairól és éghajlataik történetéről.
Az ilyen műholdak szintén nagyon hasznosak lennének a Föld megfigyelésekor. Mivel képesek lennének alacsonyabb tengerszint feletti magasságban működni, mint a korábbi missziók, és nem korlátozódnának az általuk szállítható hajtógáz mennyiségével, a légzés légzőkészülékkel felszerelt műholdak hosszabb ideig működhetnek. Ennek eredményeként mélyebb elemzéseket tudnak nyújtani az éghajlatváltozásról, és szorosabban követhetik a meteorológiai mintákat, a geológiai változásokat és a természeti katasztrófákat.
