Bardzo niska orbita okołoziemska (VLEO) obejmuje wysokości rzędu ok. 100–450 km. Z takiej perspektywy łatwiej uzyskać szczegółowe dane obserwacyjne, a systemy radarowe i łącznościowe mogą funkcjonować przy mniejszym zapotrzebowaniu na moc. Kluczową barierą pozostaje jednak opór atmosfery: nawet na tych pułapach jest on na tyle duży, że stale spowalnia statek kosmiczny i z czasem "ściąga" go w niższe, gęstsze warstwy.

Atmosfera jako paliwo dla satelity

Koncepcja powstała w ramach doktoratu na University of Stuttgart i zalicza się do rozwiązań ABEP, czyli elektrycznych napędów zasilanych materią pobieraną z atmosfery. Zasada działania polega na tym, że specjalny wlot zbiera cząsteczki znajdujące się przed satelitą, następnie układ napędowy jonizuje je do postaci plazmy i wyrzuca w kierunku przeciwnym do lotu, wytwarzając ciąg – bez potrzeby wożenia tradycyjnego zapasu paliwa.

W praktyce projekt musiał uwzględnić problem tlenu atomowego obecnego w górnych warstwach atmosfery. Ten składnik może przyspieszać degradację elementów napędu, m.in. elektrod, siatek przyspieszających czy katod służących do neutralizacji ładunku w silniku jonowym. Dodatkowym wyzwaniem są wahania gęstości atmosfery, zależne m.in. od pory dnia, szerokości geograficznej oraz aktywności Słońca.

WIDEOTa gwiazda ma 20 km średnicy. Co 20 dni produkuje intensywne błyski

Francesco Romano zestawił zoptymalizowany system poboru cząsteczek z bezkontaktowym radiowym silnikiem plazmowym typu helicon. Spośród trzech analizowanych wariantów wlotu najlepsze parametry uzyskała konstrukcja paraboliczna, pokryta grafitem albo dwutlenkiem krzemu. W testach w tunelu aerodynamicznym taki wlot przechwytywał ok. 94,3 proc. cząsteczek, a odchylenie o 15 stopni zmniejszało skuteczność jedynie o 8 proc.

W samym silniku wykorzystano tzw. antenę klatkową, podobną do stosowanych w urządzeniach do rezonansu magnetycznego. Z wyników badań wynikało, że do układu napędowego trafiało aż 99 proc. dostarczanej energii elektrycznej. Próby w komorze próżniowej, które miały odtwarzać warunki VLEO, pokazały stabilną pracę przy mocy radiowej na poziomie 50–60 W.

Obliczenia dla Ziemi i Marsa

Symulacje – uwzględniające m.in. satelitę GOCE – wskazały, że taki napęd mógłby podtrzymywać lot bez ograniczeń czasowych na wysokości 190–250 km przy poborze poniżej 1,6 kW. To wartość, która mieści się w możliwościach typowych paneli słonecznych wykorzystywanych na statkach kosmicznych. Analizy rozszerzono również na warunki marsjańskie: tam urządzenie mogłoby utrzymywać statek na pułapie 120–160 km, korzystając z atmosfery, w której dominuje dwutlenek węgla.

Na razie rozwiązanie pozostaje na etapie prób laboratoryjnych i obliczeń komputerowych. Nie przesądzono, czy Francesco Romano będzie rozwijał projekt aż do testu w przestrzeni kosmicznej. Uzyskane rezultaty sugerują jednak, że napęd pobierający atmosferę może okazać się użyteczny w misjach wymagających długotrwałego utrzymywania satelitów na bardzo niskich orbitach.

Redaktor serwisu WP Tech. Od ponad 10 lat codziennie pisze o astronomii, astrofizyce, kosmologii i eksploracji przestrzeni kosmicznej. Od samego początku stara się zostać prawdziwym kronikarzem pierwszych kroków ludzkości ku gwiazdom. Tak się dobrze złożyło, że przypadło mu żyć w czasach, w których ludzkość dokonuje fenomenalnych odkryć i po raz pierwszy w historii ma szansę zajrzeć na kres wszechświata i postawić stopę na innej planecie. Poza pracą - miłośnik psów i wielokilometrowych spacerów po lasach Wielkopolski.

Grupa Wirtualna Polska

Źródło: www.benchmark.pl