Als het gaat om de toekomst van ruimteverkenning, is een van de grootste uitdagingen het bedenken van motoren die de prestaties kunnen maximaliseren en tegelijkertijd brandstofzuinigheid garanderen. Dit zal niet alleen de kosten van individuele missies verlagen, het zal er ook voor zorgen dat robotachtige ruimtevaartuigen (en zelfs ruimtevaartuigen met bemanning) gedurende langere tijd in de ruimte kunnen opereren zonder te hoeven tanken.
Deze uitdaging heeft de afgelopen jaren geleid tot een aantal werkelijk innovatieve concepten, waarvan er één onlangs voor het eerst is gebouwd en getest door een ESA-team. Dit motorconcept bestaat uit een elektrische boegschroef die in staat is schaarse luchtmoleculen uit de toppen van de atmosfeer te “scheppen” en als drijfgas te gebruiken. Deze ontwikkeling zal de weg openen voor allerlei soorten satellieten die jarenlang in zeer lage banen rond planeten kunnen werken.
Het concept van een luchtademende boegschroef (ook bekend als Ram-Electric Propulsion) is relatief eenvoudig. Kortom, de motor werkt volgens dezelfde principes als een ramscoop (waar interstellaire waterstof wordt verzameld om brandstof te leveren) en een ionenmotor - waar verzamelde deeltjes worden opgeladen en uitgeworpen. Zo'n motor zou het drijfgas aan boord wegnemen door atmosferische moleculen op te nemen terwijl het door de top van de atmosfeer van een planeet stroomde.
Het concept was het onderwerp van een studie getiteld "RAM Electric Propulsion for Low Earth Orbit Operation: An ESA Study", die werd gepresenteerd op de 30e Internationale Electric Propulsion Conference in 2007. De studie benadrukte hoe "Low Earth orbit satellites zijn onderworpen aan atmosferische weerstand en dus hun levensduur is beperkt met de huidige voortstuwingstechnologieën door de hoeveelheid drijfgas die ze kunnen dragen om dit te compenseren. ”
De auteurs van het onderzoek gaven ook aan hoe satellieten die elektrische voortstuwing met een hoge specifieke impuls gebruiken, gedurende langere tijd de luchtweerstand kunnen compenseren tijdens gebruik op lage hoogte. Maar zoals ze concluderen, zou zo'n missie ook beperkt zijn tot de hoeveelheid brandstof die ze zou kunnen vervoeren. Dit was zeker het geval voor het zwaartekrachtveld van de ESA en de zwaartekrachtsatelliet-satelliet Ocean Circulation Explorer (GOCE) van de steady-state,
Terwijl GOCE meer dan vier jaar in een baan om de aarde bleef en op een hoogte van slechts 250 km (155 mijl) opereerde, eindigde zijn missie op het moment dat de 40 kg (88 lbs) voorraad xenon als drijfgas op was. Als zodanig is ook het concept van een elektrisch voortstuwingssysteem dat gebruik maakt van atmosferische moleculen als drijfgas, onderzocht. Zoals Dr. Louis Walpot van de ESA uitlegde in een ESA-persbericht:
"Dit project begon met een nieuw ontwerp om luchtmoleculen als drijfgas op te pikken uit de top van de atmosfeer van de aarde op ongeveer 200 km hoogte met een typische snelheid van 7,8 km / s."
Om dit concept te ontwikkelen, werkten het Italiaanse ruimtevaartbedrijf Sitael en het Poolse ruimtevaartbedrijf QuinteScience samen om een nieuw ontwerp voor inname en boegschroef te creëren. Terwijl QuinteScience een inlaat bouwde die binnenkomende atmosferische deeltjes zou verzamelen en comprimeren, ontwikkelde Sitael een tweetraps boegschroef die deze deeltjes zou opladen en versnellen om stuwkracht te genereren.
Het team voerde vervolgens computersimulaties uit om te zien hoe deeltjes zich zouden gedragen bij een reeks inname-opties. Maar uiteindelijk kozen ze ervoor om een oefentest uit te voeren om te zien of de gecombineerde opname en boegschroef zouden samenwerken of niet. Om dit te doen, testte het team het in een vacuümkamer in een van de testfaciliteiten van Sitael. De kamer simuleerde een omgeving op 200 km hoogte terwijl een "deeltjesstroomgenerator" de aankomende hogesnelheidsmoleculen voorzag.
Om een completere test te geven en ervoor te zorgen dat de boegschroef zou werken in een lagedrukomgeving, begon het team met het ontsteken met xenon-drijfgas. Walpot legde uit:
“In plaats van simpelweg de resulterende dichtheid bij de collector te meten om het inlaatontwerp te controleren, hebben we besloten om een elektrische boegschroef te monteren. Op deze manier bewezen we dat we inderdaad de luchtmoleculen konden verzamelen en comprimeren tot een niveau waarop de ontsteking van de boegschroef kon plaatsvinden en de daadwerkelijke stuwkracht konden meten. In eerste instantie controleerden we of onze boegschroef herhaaldelijk kon worden ontstoken met xenon afkomstig van de deeltjesbundelgenerator. ”
Als volgende stap vervangt het team xenon gedeeltelijk door een stikstof-zuurstof luchtmengsel om de bovenste atmosfeer van de aarde te simuleren. Zoals gehoopt bleef de motor draaien en het enige dat veranderde was de kleur van de stuwkracht.
"Toen de op xenon gebaseerde blauwe kleur van de motorpluim veranderde in paars, wisten we dat het gelukt was", zei Dr. Walpot. "Het systeem werd uiteindelijk herhaaldelijk alleen ontstoken met atmosferische stuwstof om de haalbaarheid van het concept te bewijzen. Dit resultaat betekent dat luchtaangedreven elektrische voortstuwing niet langer slechts een theorie is, maar een tastbaar, werkend concept, klaar om te worden ontwikkeld, om op een dag als basis te dienen voor een nieuwe klasse van missies. ”
De ontwikkeling van lucht-ademende elektrische stuwraketten zou een geheel nieuwe klasse van satellieten mogelijk kunnen maken die jarenlang met de randen van Mars, Titan en andere lichamen kunnen werken. Met dit soort operationele levensduur zouden deze satellieten grote hoeveelheden gegevens kunnen verzamelen over de meteorologische omstandigheden van deze lichamen, seizoensveranderingen en de geschiedenis van hun klimaat.
Dergelijke satellieten zouden ook erg handig zijn als het gaat om het observeren van de aarde. Omdat ze in staat zouden zijn om op lagere hoogten te opereren dan eerdere missies, en niet beperkt zouden worden door de hoeveelheid drijfgas die ze konden vervoeren, konden satellieten uitgerust met luchtademhalende stuwraketten gedurende langere tijd werken. Als gevolg hiervan zouden ze meer diepgaande analyses over klimaatverandering kunnen aanbieden en meteorologische patronen, geologische veranderingen en natuurrampen van dichterbij kunnen volgen.
