Satelity bez ksenonu na niskiej orbicie? Testy silnika "na atmosferę"

Bardzo niska orbita okołoziemska (VLEO) obejmuje wysokości rzędu ok. 100–450 km. Z takiej perspektywy łatwiej uzyskać szczegółowe dane obserwacyjne, a systemy radarowe i łącznościowe mogą funkcjonować przy mniejszym zapotrzebowaniu na moc. Kluczową barierą pozostaje jednak opór atmosfery: nawet na tych pułapach jest on na tyle duży, że stale spowalnia statek kosmiczny i z czasem "ściąga" go w niższe, gęstsze warstwy.

Koncepcja powstała w ramach doktoratu na University of Stuttgart i zalicza się do rozwiązań ABEP, czyli elektrycznych napędów zasilanych materią pobieraną z atmosfery. Zasada działania polega na tym, że specjalny wlot zbiera cząsteczki znajdujące się przed satelitą, następnie układ napędowy jonizuje je do postaci plazmy i wyrzuca w kierunku przeciwnym do lotu, wytwarzając ciąg – bez potrzeby wożenia tradycyjnego zapasu paliwa.

W praktyce projekt musiał uwzględnić problem tlenu atomowego obecnego w górnych warstwach atmosfery. Ten składnik może przyspieszać degradację elementów napędu, m.in. elektrod, siatek przyspieszających czy katod służących do neutralizacji ładunku w silniku jonowym. Dodatkowym wyzwaniem są wahania gęstości atmosfery, zależne m.in. od pory dnia, szerokości geograficznej oraz aktywności Słońca.

Francesco Romano zestawił zoptymalizowany system poboru cząsteczek z bezkontaktowym radiowym silnikiem plazmowym typu helicon. Spośród trzech analizowanych wariantów wlotu najlepsze parametry uzyskała konstrukcja paraboliczna, pokryta grafitem albo dwutlenkiem krzemu. W testach w tunelu aerodynamicznym taki wlot przechwytywał ok. 94,3 proc. cząsteczek, a odchylenie o 15 stopni zmniejszało skuteczność jedynie o 8 proc.

W samym silniku wykorzystano tzw. antenę klatkową, podobną do stosowanych w urządzeniach do rezonansu magnetycznego. Z wyników badań wynikało, że do układu napędowego trafiało aż 99 proc. dostarczanej energii elektrycznej. Próby w komorze próżniowej, które miały odtwarzać warunki VLEO, pokazały stabilną pracę przy mocy radiowej na poziomie 50–60 W.

Symulacje – uwzględniające m.in. satelitę GOCE – wskazały, że taki napęd mógłby podtrzymywać lot bez ograniczeń czasowych na wysokości 190–250 km przy poborze poniżej 1,6 kW. To wartość, która mieści się w możliwościach typowych paneli słonecznych wykorzystywanych na statkach kosmicznych. Analizy rozszerzono również na warunki marsjańskie: tam urządzenie mogłoby utrzymywać statek na pułapie 120–160 km, korzystając z atmosfery, w której dominuje dwutlenek węgla.

Na razie rozwiązanie pozostaje na etapie prób laboratoryjnych i obliczeń komputerowych. Nie przesądzono, czy Francesco Romano będzie rozwijał projekt aż do testu w przestrzeni kosmicznej. Uzyskane rezultaty sugerują jednak, że napęd pobierający atmosferę może okazać się użyteczny w misjach wymagających długotrwałego utrzymywania satelitów na bardzo niskich orbitach.