Впервые Европейское космическое агентство (ЕКА) испытало новый воздушно-реактивный электрический двигатель, который может позволить орбитальным спутникам на низкой околоземной орбите оставаться в космосе почти вечно. Представители ЕКА говорят, что двигатель малой тяги, предназначенный для сбора атмосферных молекул и использования их вместо бортового ракетного топлива, также может облегчить дальнейшее исследование Марса.
Спутники нуждаются в двигателях, чтобы удерживать свое положение или двигаться в пространстве. Обычно они используют ракетные химические двигатели, но электрические подруливающие устройства становятся все более популярными из-за их большей эффективности. Однако в настоящее время электрические силовые установки по-прежнему должны использовать ракетное топливо, такое как ксенон, и поэтому время миссии спутника ограничено тем, сколько топлива он может нести. А из-за ограничений по весу спутники могут нести лишь ограниченный объем топлива. Те из них, которые находятся вблизи Земли, в пределах нескольких сотен километров, потребляют его более высокими темпами, поскольку им необходимо компенсировать атмосферное сопротивление, которое замедляет их и тянет к Земле.
Вместо того, чтобы нести свое собственное топливо, спутник, использующий новую систему ЕКА, будет собирать молекулы воздуха из верхней части атмосферы Земли. При сжатии молекулы превращаются в плазму. Затем используется электрическое поле для ускорения потока плазмы, тем самым обеспечивая тягу для спутника.
«Обеспечивая компенсацию атмосферного сопротивления без использования хранимого ракетного топлива, такой электрический двигатель позволит спутникам на очень низких орбитах вокруг Земли существовать в течение очень длительного времени», — пишет Луис Уолпот, который возглавляет проект в ЕКА, в своем электронном письме. «Обычно без топлива высота орбиты спутника будет быстро уменьшаться, и он вернется в атмосферу».
Вместе с двигателем ЕКА протестировали инновационный коллектор, который захватывает входящий воздух, когда он попадает на маховик с ошеломляющими орбитальными скоростями — около 8 км/с. Коллектор разделяет молекулы азота и кислорода из воздуха и превращает их в топливо. Именно он делает систему первой в своем роде, демонстрируя, как воздушно-реактивный двигатель будет работать на орбите.
«Изобретение такой конструкции коллектора было сложной задачей, потому что молекулы воздуха, как правило, отскакивают обратно, а не собираются и сжимаются до такой степени, что они превращаются в плазму, способную ускоряться электрическим полем», — говорит Уолпот. «Конструкция коллектор+двигатель полностью пассивна по своей природе: воздух поступает в коллектор из-за движения космического корабля, когда он вращается вокруг Земли. Все, что ему нужно, это электричество для ионизации сжатого воздуха». Электроэнергия, по его словам, может быть легко получена от солнечных батарей.
Уолпот также сказал, что система будет работать и на внешних краях атмосферы Марса, улавливая молекулы углекислого газа, из которых состоит атмосфера Красной планеты, вместо азота и кислорода на Земле. «Она в сто раз менее плотная, чем атмосфера Земли, поэтому любой такой космический корабль на воздушной тяге будет летать ниже, на высотах около 120-180 км», — говорит он.
ЕКА, которая финансирует развитие двигателя через свою Технологическую исследовательскую программу, начала работать над проектом в 2015 году в сотрудничестве с польской фирмой QuinteScience и итальянским Sitael. Согласно исследованию, инженеры протестировали технологию в вакуумной камере в Италии, имитируя окружающую среду на высоте 200 километров.
В настоящее время агентство планирует протестировать технологию в более реалистичной условиях. «Это повысит уровень готовности технологии», — сказал Уолпот.
По его словам, воздушно-реактивный двигатель будет работать на высоте до 160 км, поскольку он может работать только в атмосфере или рядом с ней (границей атмосферы считается высота в 100 км — прим. перев.). Для сравнения: один из спутников ЕКА, предназначенный для слежения за океаническими течениями (GOCE) летал на высоте около 250 км. GOCE использовал похожий электрический двигатель, чтобы держаться на орбите, но его двигатели использовали ракетный ксенон. Миссия закончилась через четыре года и семь месяцев, когда топливо подошло к концу, и космический аппарат погрузился в атмосферу.
Художественное изображение GOCE. Спутник стоимостью 450 миллионов долларов США был запущен в 2009 году и сошел с орбиты в 2013.
Использование воздуха в качестве топлива «открывает околоземное пространство для новых миссий, которые могут быть использованы, например, для получения фотографий Земли с очень высоким разрешением или даже для изучения постоянно меняющихся условий, преобладающих на верхней границы атмосферы», — говорит Уолпот.