Що се отнася до бъдещето на космическите проучвания, едно от най-големите предизвикателства е да се появят двигатели, които могат да увеличат производителността, като в същото време гарантират икономия на гориво. Това не само ще намали разходите за отделни мисии, но ще гарантира, че роботизираните космически кораби (и дори космически кораби) могат да работят продължително време в космоса, без да се налага да зареждате с гориво.
През последните години това предизвикателство доведе до някои наистина иновативни концепции, една от които наскоро бе изградена и тествана за първи път от екип на ESA. Тази концепция на двигателя се състои от електрическа тяга, която е способна да „извлича“ оскъдни молекули въздух от върховете на атмосферата и да ги използва като гориво. Това развитие ще отвори пътя за всички видове спътници, които могат да работят в много ниски орбити около планети години наред.
Концепцията за въздушно дишащо тяло (известна още като Ram-Electric Propulsion) е сравнително проста. Накратко, двигателят работи на същите принципи, както при огледало (където се събира междузвезден водород, за да се осигури гориво), така и при йонния двигател - където събраните частици се зареждат и изхвърлят. Такъв двигател ще премахне бордовото гориво, като поема атмосферни молекули, когато преминава през върха на атмосферата на планетата.
Концепцията беше предмет на проучване, озаглавено „Електрически задвижване на RAM за експлоатация на ниска земна орбита: проучване на ESA“, което беше представено на 30-ата Международна конференция за електрически задвижвания през 2007 г. В проучването беше подчертано как „спътниците на ниската земна орбита са обект на атмосферни влачене и по този начин техният живот е ограничен от настоящите задвижващи технологии от количеството гориво, което могат да носят, за да го компенсират. “
Авторите на изследването също посочиха как спътниците, използващи високо специфично импулсно електрическо задвижване, биха могли да компенсират влаченето по време на работа на малка надморска височина за продължителен период от време. Но както заключават, подобна мисия би била ограничена и до количеството гориво, което може да носи. Това със сигурност се отнасяше за гравитационното поле на ESA и стационарния спътник на гравитационния картограф (GOCE) в океана,
Докато GOCE остава в орбита на Земята повече от четири години и оперира на надморска височина от 250 км (155 мили), мисията му приключи в момента, в който изчерпа своите 40 кг (88 фунта) доставка на ксенон като гориво. Като такава, е проучена и концепцията за електрическа задвижваща система, която използва атмосферни молекули като гориво. Както д-р Луи Уолпот от ESA обясни в съобщение за пресцентъра на ESA:
„Този проект започна с нов дизайн за извличане на въздушни молекули като гориво от върха на земната атмосфера на около 200 км надморска височина с типична скорост от 7,8 км / с.“
За да разработят тази концепция, италианската аерокосмическа компания Sitael и полската аерокосмическа компания QuinteScience се обединиха, за да създадат нов дизайн на прием и потискане. Докато QuinteScience изгради прием, който ще събира и компресира входящите атмосферни частици, Sitael разработи двустепенна тяга, която ще зарежда и ускорява тези частици за генериране на тяга.
След това екипът проведе компютърни симулации, за да види как частиците ще се държат в редица възможности за прием. Но в крайна сметка те избраха да проведат практически тест, за да видят дали комбинираният прием и тягата ще работят заедно или не. За целта екипът го тества във вакуумна камера в едно от тестовите съоръжения на Sitael. Камерата симулира среда на 200 км надморска височина, докато "генератор на потока на частиците" осигурява настъпващите високоскоростни молекули.
За да предостави по-пълен тест и да се увери, че тягата ще функционира в среда с ниско налягане, екипът започна, като го запали с ксеноново гориво. Walpot обясни:
„Вместо просто да измерваме получената плътност в колектора, за да проверим конструкцията на всмукателя, решихме да прикрепим електрическа тяга. По този начин доказахме, че наистина можем да събираме и компресираме въздушните молекули до ниво, при което може да се извърши запалване на дросела, и да измерим действителната тяга. В началото проверихме, че тягата ни може да бъде запалена многократно с ксенон, събран от генератора на лъчи на частици. "
Като следваща стъпка, екипът частично замества ксенона с азотно-кислородна въздушна смес, за да симулира горната земна атмосфера. Както се надявахме, двигателят продължи да се запалва и единственото, което се промени, беше цветът на тягата.
„Когато базираният на ксенон син цвят на шейната на двигателя се промени в лилав, знаехме, че сме успели“, каза д-р Уолпот. „Системата най-накрая се запалва многократно единствено с атмосферно гориво, за да докаже осъществимостта на концепцията. Този резултат означава, че въздушното дишане електрическото задвижване вече не е просто теория, а осезаема, работеща концепция, готова да бъде разработена, за да послужи един ден като основа за нов клас мисии. "
Развитието на въздушно дишащи електрически двигатели може да позволи създаването на изцяло нов клас спътник, който да може да работи с границите на атмосферата на Марс, Титан и други тела години наред. С този вид експлоатационен живот, тези спътници биха могли да съберат обеми от данни за метеорологичните условия на тези тела, сезонните промени и историята на климата им.
Такива спътници също биха били много полезни, когато става въпрос за наблюдение на Земята. Тъй като те биха могли да работят на по-ниска надморска височина от предишните мисии и не биха били ограничени от количеството гориво, което биха могли да носят, сателитите, оборудвани с въздушно дишащи дросели, биха могли да работят за продължителни периоди от време. В резултат на това те биха могли да предложат по-задълбочени анализи на изменението на климата и да наблюдават по-внимателно метеорологичните модели, геоложките промени и природните бедствия.
