Плазменный двигатель, работающий на воздухе, может удерживать спутники на орбите бесконечно

Спутники на очень низкой околоземной орбите (VLEO) — на высоте 100–450 км — имеют преимущества: камеры делают более чёткие снимки, связь требует меньше энергии, а атмосферное сопротивление само очищает орбиту от «мёртвых» аппаратов. Но есть и цена: трение о воздух требует почти постоянной работы двигателя, а значит — топлива. Обычно это дорогой ксенон. Франческо Романо из Штутгартского университета предложил решение. Он предложил использовать сам воздух, который тормозит спутник, как топливо для плазменного двигателя [1].

Как работает «воздушный» двигатель

Системы атмосферно-воздушного электроракетного двигателя (ABEP) засасывают разреженный воздух перед спутником и направляют его в электрический двигатель. Там молекулы превращаются в плазму и выбрасываются назад, создавая тягу [2]. Теория проста, но на практике есть проблемы. Главная — атомарный кислород (AO), который образуется в верхней атмосфере под действием ультрафиолета. Он агрессивно окисляет металлические электроды и катоды, разрушая стандартные двигатели [7]. Кроме того, сама атмосфера переменчива: она меняется в зависимости от времени суток, широты и солнечной активности.

Романо разработал бесконтактный RF-двигатель на геликоновой плазме, которому не нужен нейтрализатор. Для забора воздуха он протестировал три конструкции. Победила «зеркальная» — параболический отражатель, покрытый графитом или диоксидом кремния, который направляет частицы прямо в двигатель. Она собирала около 94,3% частиц, а при наклоне на 15° эффективность падала всего на 8% [1].

Вдохновение из МРТ

Для самого двигателя Романо позаимствовал идею у медицинских томографов. Он использовал «птичью клетку» — антенну, похожую на те, что применяются в МРТ. Это позволило добиться того, что 99% подводимой мощности попадает в двигатель. Соленоид вокруг двигателя создаёт магнитное поле, которое выбрасывает плазму квазинейтральной струёй — без необходимости в нейтрализаторе. В вакуумной камере двигатель стабильно работал на смеси аргона, азота и кислорода при мощности всего 50–60 Вт [2].

Что это значит для будущего спутников

Расчёты показывают: двигатель мог бы удерживать спутник на высоте 190–250 км неограниченно долго, потребляя менее 1,6 кВт — это в пределах возможностей обычных солнечных панелей [1]. Для сравнения, спутник GOCE, запущенный ЕКА, работал на ксеноне и в итоге исчерпал топливо [4].

Технология не ограничена Землёй. Марсианская атмосфера состоит в основном из CO₂. По расчётам, двигатель мог бы удерживать аппарат на высоте 120–160 км над Красной планетой — гораздо ближе, чем существующие спутники [1].

Компания Kreios Space уже планирует первый в истории запуск спутника с воздушно-реактивным двигателем. Аппарат на базе микроспутниковой платформы NanoAvionics MP42 массой около 200 кг отправится на VLEO для проверки технологии [3]. Генеральный директор Kreios Адриан Сенар говорит: «Kreios создаёт спутники, которые делают возможной долгосрочную работу на очень низкой околоземной орбите. Мы открываем путь к более чётким снимкам Земли, лучшей связи и более устойчивой орбитальной инфраструктуре» [6]. Компания уже выбрала платформу для миссии, которая станет первой в своём роде [5].

Читайте также:

Загадка глубоководных «батарей»: как марганцевые конкреции могут изменить энергетику

Starlink стал гигантским сканером верхней атмосферы Земли

Список источников:

1. Universe Today — A New Design For A Plasma Engine Fuels On Only Thin Air
2. arXiv — RF Helicon Plasma Thruster for an Atmosphere-Breathing Electric Propulsion System (ABEP)
3. GeoConnexion — Kreios Space selects Kongsberg NanoAvionics for first-ever air-breathing electric propulsion satellite
4. ESA — ESA’s low-flying gravity-detector was weighty technology challenge
5. NanoAvionics — Kreios Space selects NanoAvionics for world’s first air-breathing electric propulsion satellite
6. Gizmodo — This Satellite Will Literally Breathe Air to Stay in Orbit
7. ESA — Air-breathing space mission