Når det gjelder fremtiden for romutforskning, er en av de største utfordringene å komme opp med motorer som kan maksimere ytelsen og samtidig sikre drivstoffeffektiviteten. Dette vil ikke bare redusere kostnadene for individuelle oppdrag, det vil sikre at robot romfartøy (og til og med bemannede romfartøyer) kan operere i lengre perioder i rommet uten å måtte fylle bensin.
De siste årene har denne utfordringen ført til noen virkelig innovative konsepter, hvorav den ene nylig ble bygget og testet for aller første gang av et ESA-team. Dette motorkonseptet består av en elektrisk thruster som er i stand til å "øse" av knappe luftmolekyler fra toppen av atmosfæren og bruke dem som drivmiddel. Denne utviklingen vil åpne for alle slags satellitter som kan operere i veldig lave baner rundt planeter i flere år av gangen.
Konseptet med en luftpustende thruster (alias Ram-Electric Propulsion) er relativt enkelt. Kort fortalt fungerer motoren etter de samme prinsippene som en ramscoop (der interstellært hydrogen samles for å gi drivstoff) og en ionemotor - hvor oppsamlede partikler lades og kastes ut. En slik motor ville eliminere drivstoffet ombord ved å ta inn atmosfæriske molekyler når det passerte gjennom toppen av en planetens atmosfære.
Konseptet var gjenstand for en studie med tittelen “RAM Electric Propulsion for Low Earth Orbit Operation: An ESA Study”, som ble presentert på den 30. internasjonale elektriske fremdriftskonferansen i 2007. Studien la vekt på hvordan “Low Earth orbit satellites are subject to atmosfærisk dra og dermed er levetidene deres begrenset med dagens fremdriftteknologi av mengden drivmiddel de kan bære for å kompensere for det. ”
Studiens forfattere indikerte også hvordan satellitter som bruker elektrisk impuls med høy spesifikk impuls, ville være i stand til å kompensere for dra under lav høyde i en lengre periode. Men som de konkluderer, vil et slikt oppdrag også være begrenset til mengden drivstoff den kunne bære. Dette var absolutt tilfellet for ESAs tyngdekraftsfelt og GOCE-tyngdekort-satellitt med stabil tilstand Ocean Circulation Explorer,
Mens GOCE forble i jordens bane i mer enn fire år og opererte i høyden helt ned til 250 km (155 mi), endte oppdraget i det øyeblikket det uttømte 40 kg (88 pund) tilførsel av xenon som drivmiddel. Som sådan er konseptet med et elektrisk fremdriftssystem som bruker atmosfæriske molekyler som drivmiddel også undersøkt. Som Dr. Louis Walpot fra ESA forklarte i en ESAs pressemelding:
"Dette prosjektet begynte med et nytt design for å øse opp luftmolekyler som drivmiddel fra toppen av jordas atmosfære i rundt 200 km høyde med en typisk hastighet på 7,8 km / s."
For å utvikle dette konseptet slo det italienske luftfartsselskapet Sitael og det polske luftfartsselskapet QuinteScience seg sammen for å skape et nytt inntak og thruster-design. Mens QuinteScience bygde et inntak som ville samle og komprimere innkommende atmosfæriske partikler, utviklet Sitael en dobbeltrinns thruster som ville lade og akselerere disse partiklene for å generere skyvekraft.
Teamet kjørte deretter datasimuleringer for å se hvordan partikler ville oppføre seg på en rekke inntaksalternativer. Men til slutt valgte de å gjennomføre en øvingstest for å se om det kombinerte inntaket og thrusteren ville fungere sammen eller ikke. For å gjøre dette testet teamet det i et vakuumkammer på et av Sitaels testanlegg. Kammeret simulerte et miljø i 200 km høyde mens en "partikkelstrømgenerator" ga møtende høyhastighetsmolekyler.
For å gi en mer fullstendig test og sikre at thrusteren ville fungere i et miljø med lavt trykk, begynte teamet med å tenne den med xenon-drivmiddel. Walpot forklarte:
I stedet for å bare måle den resulterende tettheten ved samleren for å sjekke inntakets design, bestemte vi oss for å koble til en elektrisk thruster. På denne måten beviste vi at vi faktisk kunne samle og komprimere luftmolekylene til et nivå der thruster-tenning kunne finne sted, og måle den faktiske skyvekraften. Først sjekket vi at thrusteren vår kunne bli antent gjentatte ganger med xenon samlet fra partikkelstrålegeneratoren. ”
Som et neste trinn erstatter teamet xenon delvis med en nitrogen-oksygen-luftblanding for å simulere Jordens øvre atmosfære. Som håpet fortsatte motoren å skyte, og det eneste som endret seg var fargen på skyvekraften.
"Da den xenon-baserte blåfargen på motorrommet endret til lilla, visste vi at vi hadde lyktes," sa Dr. Walpot. "Systemet ble til slutt antent gjentatte ganger utelukkende med atmosfærisk drivmiddel for å bevise konseptets gjennomførbarhet. Dette resultatet betyr at luftpustende elektrisk fremdrift ikke lenger bare er en teori, men et håndgripelig, arbeidskonsept, klart til å bli utviklet, for å tjene en dag som grunnlag for en ny klasse av oppdrag. ”
Utviklingen av luftpustende elektriske thrustere kan gi rom for en helt ny klasse av satellitt som kan operere med utkanten av Mars ', Titans og andre kroppsatmosfærer i mange år av gangen. Med denne typen driftslevetid, kunne disse satellittene samle inn mengder med data om disse kroppens meteorologiske forhold, sesongmessige forandringer og historien til klimaet.
Slike satellitter ville også være veldig nyttige når det gjelder observasjon av Jorden. Siden de ville være i stand til å operere i lavere høyder enn tidligere oppdrag, og ikke ville være begrenset av mengden drivmiddel de kunne frakte, kunne satellitter utstyrt med luftpustende thrustere operere i lengre perioder. Som et resultat kunne de tilby mer dyptgående analyser av klimaendringer, og overvåke meteorologiske mønstre, geologiske endringer og naturkatastrofer nærmere.
