Når det gælder fremtiden for rumfart, er en af de største udfordringer at komme med motorer, der kan maksimere ydelsen og samtidig sikre brændstofeffektivitet. Dette vil ikke kun reducere omkostningerne ved individuelle missioner, det vil sikre, at robot rumfartøj (og endda bemandet rumfartøj) kan operere i længere perioder i rummet uden at skulle tanke.
I de senere år har denne udfordring ført til nogle virkelig innovative koncepter, hvoraf den ene for nylig blev bygget og testet for første gang af et ESA-team. Dette motorkoncept består af en elektrisk thruster, der er i stand til at "søge" knappe luftmolekyler fra toppen af atmosfæren og bruge dem som drivmiddel. Denne udvikling åbner vejen for alle slags satellitter, der kan operere i meget lave kredsløb rundt om planeter i årevis ad gangen.
Konceptet med en luftindåndende thruster (alias Ram-Electric Propulsion) er relativt simpelt. Kort sagt fungerer motoren efter de samme principper som en ramscoop (hvor interstellært brint opsamles for at give brændstof) og en ionmotor - hvor opsamlede partikler lades og skubbes ud. En sådan motor ville fjerne det drivende drivmiddel ved at indtage atmosfæriske molekyler, da det passerede gennem toppen af en planetens atmosfære.
Konceptet var genstand for en undersøgelse med titlen “RAM Electric Propulsion for Low Earth Orbit Operation: An ESA Study”, som blev præsenteret på den 30. internationale elektriske fremdriftskonference i 2007. Undersøgelsen understregede, hvordan “Low Earth orbit satellites er underlagt atmosfæriske træk og dermed er deres levetid begrænset med de nuværende fremdrivningsteknologier af den mængde drivmiddel, de kan bære for at kompensere for det. ”
Undersøgelsens forfattere angav også, hvordan satellitter, der bruger elektrisk fremdrift med høj specifik impuls, ville være i stand til at kompensere for træk under drift i lav højde i en længere periode. Men som de konkluderer, ville en sådan mission også være begrænset til den mængde brændstof, den kunne bære. Dette var bestemt tilfældet for ESAs tyngdekraftsfelt og Ocean State Circulation Explorer (GOCE) gravitationskort-satellit,
Mens GOCE forblev i Jordens bane i mere end fire år og opererede i højder helt ned til 250 km (155 mi), sluttede dens mission i det øjeblik, den udtømte sin 40 kg (88 lbs) forsyning med xenon som drivmiddel. Som sådan er begrebet et elektrisk fremdrivningssystem, der anvender atmosfæriske molekyler som drivmiddel, også undersøgt. Som Dr. Louis Walpot fra ESA forklarede i en ESA-pressemeddelelse:
”Dette projekt begyndte med et nyt design til at øge luftmolekyler som drivmiddel fra toppen af Jordens atmosfære i omkring 200 km højde med en typisk hastighed på 7,8 km / s.”
For at udvikle dette koncept samarbejdede det italienske luftfartsselskab Sitael og det polske luftfartsselskab QuinteScience om at skabe et nyt indtag og thruster-design. Mens QuinteScience byggede et indtag, der ville opsamle og komprimere indgående atmosfæriske partikler, udviklede Sitael en dobbeltrins-thruster, der ville oplade og fremskynde disse partikler til at generere tryk.
Holdet kørte derefter computersimuleringer for at se, hvordan partikler ville opføre sig på tværs af en række indtagelsesmuligheder. Men til sidst valgte de at gennemføre en praksisundersøgelse for at se, om den kombinerede indtagelse og thruster ville fungere sammen eller ej. For at gøre dette testede teamet det i et vakuumkammer på et af Sitaels testfaciliteter. Kammeret simulerede et miljø i 200 km højde, mens en "partikelstrømgenerator" tilvejebragte de møtende højhastighedsmolekyler.
For at give en mere komplet test og sikre, at thrusteren ville fungere i et miljø med lavt tryk, startede teamet med at antænde det med xenon-drivmiddel. Walpot forklarede:
”I stedet for blot at måle den resulterende densitet ved opsamleren for at kontrollere indtagets design, besluttede vi at tilslutte en elektrisk thruster. På denne måde beviste vi, at vi faktisk kunne opsamle og komprimere luftmolekylerne til et niveau, hvor thrusterantændelse kunne finde sted, og måle den faktiske drivkraft. Først kontrollerede vi, at vores thruster kunne antændes gentagne gange med xenon indsamlet fra partikelstrålegeneratoren. ”
Som et næste trin erstatter teamet delvis xenon med en nitrogen-ilt-luftblanding for at simulere Jordens øvre atmosfære. Som håbet fortsatte motoren med at skyde, og det eneste, der ændrede sig, var farven på skyvekraften.
”Da den xenon-baserede blå farve på motorrøret skiftede til lilla, vidste vi, at vi havde fået det,” sagde Dr. Walpot. ”Systemet blev endelig antændt gentagne gange udelukkende med atmosfærisk drivmiddel for at bevise konceptets gennemførlighed. Dette resultat betyder, at luft-åndedrætselektrisk fremdrift ikke længere blot er en teori, men et håndgribeligt, arbejdskoncept, klar til at blive udviklet, til at tjene en dag som grundlag for en ny klasse af missioner. ”
Udviklingen af elektriske thrustere med luftindånding kunne give mulighed for en helt ny klasse af satellit, der kunne fungere med Mars ', Titans og andre kropstemperaturer i årevis ad gangen. Med denne form for operationel levetid kunne disse satellitter indsamle mængder af data om disse organers meteorologiske forhold, sæsonændringer og historien om deres klima.
Sådanne satellitter ville også være meget nyttige, når det kommer til at observere Jorden. Da de ville være i stand til at operere i lavere højder end tidligere missioner og ikke ville være begrænset af den mængde drivmiddel, de kunne transportere, kunne satellitter udstyret med luftindåndende thrustere fungere i længere tid. Som et resultat kunne de tilbyde mere dybdegående analyser af klimaændringer og overvåge meteorologiske mønstre, geologiske ændringer og naturkatastrofer nærmere.
