Propulsie electrică alimentată cu aer rarefiat pentru orbite foarte joase
Sateliții plasați pe orbite foarte joase în jurul Pământului, la altitudini între 100 și 450 de kilometri, au avantaje clare: camerele de teledetecție pot captura imagini mai bune, comunicațiile și radarul necesită mai puțină putere, iar frecarea cu atmosfera elimină automat sateliții scoși din uz. Costul acestor avantaje este însă un consum aproape constant de combustibil — de regulă gaze scumpe precum xenonul — pentru ca satelitul să își mențină altitudinea.
Francesco Romano a abordat această problemă în teza sa de doctorat la Universitatea din Stuttgart, disponibilă pe arXiv. Soluția sa folosește chiar moleculele de aer care produc frecarea drept combustibil pentru un motor cu plasmă, permițând satelitului să rămână pe orbită joasă în mod nelimitat. Conceptul se încadrează în categoria sistemelor de propulsie electrică care respiră atmosfera: aerul rarefiat este captat în fața vehiculului, canalizat într-un motor electric, transformat în plasmă și expulzat în spate pentru a genera împingere.
În practică, apar dificultăți tehnice. Primul obstacol este oxigenul atomic, format în atmosfera superioară când radiația ultravioletă descompune O2. Acest compus este puternic oxidant și corodează electrozii metalici, grilele de accelerare și catodurile folosite în motoarele Hall standard sau în alte tipuri de motoare cu ioni. Cel mai important efect este degradarea catodurilor din „tunul de electroni” care neutralizează sarcina electrică a navei, împiedicând reîntoarcerea particulelor încărcate spre vehicul și anularea împingerii. Al doilea obstacol este variabilitatea atmosferei, care se modifică în funcție de ciclul zi-noapte, latitudine și activitatea solară.
Pentru a rezolva aceste probleme, Romano a dezvoltat un propulsor cu plasmă de tip helicon, cu radiofrecvență, fără contact și fără neutralizator, asociat cu un sistem optimizat de admisie atmosferică. A testat trei variante de admisie: un design „pâlnie îmbunătățită”, care acționează ca o capcană moleculară pentru particulele de aer prea îndepărtate pentru a se întâlni; o admisie difuză, cu o construcție hexagonală compactă din aliaj de titan acoperit; și o admisie speculară, o oglindă parabolică acoperită cu grafit sau dioxid de siliciu, care direcționează particulele direct în motor.
Câștigătoare a fost admisia speculară, atât ca eficiență de colectare, cât și ca sensibilitate la aliniere: a captat aproximativ 94,3% din particulele de aer testate în tunelul aerodinamic — oxigen atomic, argon sau azot — iar eficiența a scăzut cu doar 8% la o înclinare de 15 grade.
Pentru proiectarea propulsorului, Romano s-a inspirat dintr-un dispozitiv medical. A folosit o antenă de tip „cușcă de păsări”, similară celor din aparatele de rezonanță magnetică, obținând un propulsor în care 99% din puterea electrică furnizată ajunge în motor. Această eficiență ridicată depășește bobinele standard, care pierd o parte din putere din cauza reactanței proprii. Un solenoid înfășurat în jurul motorului creează un câmp magnetic care împinge plasma în spate sub forma unui jet cvasi-neutru — atât ionii pozitivi, cât și cei negativi sunt expulzați, astfel încât nu este nevoie de un neutralizator.
Testele au confirmat fiabilitatea sistemului. Într-o cameră de vid, Romano a simulat concentrația atmosferică de la orbita foarte joasă pentru cele trei gaze principale întâlnite la acea altitudine. Motorul a generat fluxuri stabile de plasmă cu doar 50-60 de wați de putere radiofrecvență, bine în limitele panourilor solare folosite în mod obișnuit pe sateliți. După validarea experimentală, a aplicat modelele propulsiei unor scenarii reale, inclusiv satelitului GOCE, lansat pe orbită foarte joasă cu un motor ionic cu xenon și care a rămas fără combustibil. Conform calculelor tezei, noul motor ar putea funcționa nelimitat între 190 și 250 de kilometri altitudine cu mai puțin de 1,6 kilowați de putere, tot în limitele panourilor solare standard.
Aplicațiile nu se limitează la Pământ. Atmosfera lui Marte este dominată de dioxid de carbon, iar potrivit tezei motorul ar putea susține o navă deasupra planetei roșii la altitudini de 120-160 de kilometri, mult mai aproape decât sateliții orbitali existenți. Rămâne de văzut dacă propulsorul va fi folosit vreodată în afara laboratorului, dar ideea este interesantă și există numeroase aplicații comerciale potențiale dacă va fi validată pe o misiune reală.
