Verdens første affyring af luftåndende elektrisk thruster

I en verdensnyhed, et ESA-ledet hold har bygget og affyret en elektrisk thruster for at indtage knappe luftmolekyler fra toppen af ​​atmosfæren til drivmiddel, åbner vejen for satellitter, der flyver i meget lave kredsløb i årevis.

ESA's GOCE gravity-mapper fløj så lavt som 250 km i mere end fem år takket være en elektrisk thruster, der kontinuerligt kompenserede for luftmodstand. Imidlertid, dens levetid var begrænset af de 40 kg xenon, den medbragte som drivmiddel - når den først var opbrugt, missionen var forbi.

Udskiftning af drivmiddel ombord med atmosfæriske molekyler ville skabe en ny klasse af satellitter, der er i stand til at operere i meget lave kredsløb i lange perioder.

Luftåndende elektriske thrustere kan også bruges i yderkanten af ​​atmosfærer på andre planeter, trækker på kuldioxiden fra Mars, for eksempel.

"Dette projekt begyndte med et nyt design til at øse luftmolekyler op som drivmiddel fra toppen af ​​Jordens atmosfære i omkring 200 km højde med en typisk hastighed på 7,8 km/s, " forklarer ESA's Louis Walpot.

En komplet thruster blev udviklet til at teste konceptet af Sitael i Italien, som blev udført i et vakuumkammer i deres testfaciliteter, simulerer miljøet i 200 km højde.

En 'partikelstrømsgenerator' leverede de modkørende højhastighedsmolekyler til opsamling af den nye Ram-Electric Propulsion-indtag og thruster.

Der er ingen ventiler eller komplekse dele – alt fungerer på en enkel, passivt grundlag. Alt hvad der er nødvendigt er strøm til spolerne og elektroderne, skabe et ekstremt robust træk-kompensationssystem.

Udfordringen var at designe en ny type indtag til at opsamle luftmolekylerne, så de i stedet for blot at hoppe væk, opsamles og komprimeres.

De molekyler, der indsamles af indtaget designet af QuinteScience i Polen, får elektriske ladninger, så de kan accelereres og udstødes for at give stød.

Sitael designede en to-trins thruster for at sikre bedre opladning og acceleration af den indkommende luft, hvilket er sværere at opnå end i traditionelle elektriske fremdriftsdesigns.

"Holdet kørte computersimuleringer af partikeladfærd for at modellere alle de forskellige indtagsmuligheder, tilføjer Louis, "men det hele kom ned til denne praktiske test for at vide, om det kombinerede indsug og thruster ville fungere sammen eller ej.

"I stedet for blot at måle den resulterende tæthed ved opsamleren for at kontrollere indsugningsdesignet, vi besluttede at tilslutte en elektrisk thruster. På denne måde vi beviste, at vi faktisk kunne opsamle og komprimere luftmolekylerne til et niveau, hvor thruster-antændelse kunne finde sted, og mål det faktiske tryk.

"Først kontrollerede vi, at vores thruster kunne antændes gentagne gange med xenon indsamlet fra partikelstrålegeneratoren."

Som et næste skridt, Louis forklarer, xenonen blev delvist erstattet af en nitrogen-ilt-luftblanding:"Da den xenonbaserede blå farve på motorfanen ændrede sig til lilla, vi vidste, at vi var lykkedes.

"Systemet blev endelig antændt gentagne gange udelukkende med atmosfærisk drivmiddel for at bevise konceptets gennemførlighed.

"Dette resultat betyder, at luftåndende elektrisk fremdrift ikke længere blot er en teori, men en håndgribelig, arbejdskoncept, klar til at blive udviklet, at tjene en dag som grundlag for en ny klasse af missioner."