Luftandande jonpropeller. Kredit:ESA/Sitael
I en världsnyhet, ett ESA-ledt team har byggt och avlossat en elektrisk thruster för att få i sig knappa luftmolekyler från toppen av atmosfären för drivmedel, öppnar vägen för satelliter som flyger i mycket låga banor i åratal.
ESA:s GOCE gravity-mapper flög så lågt som 250 km i mer än fem år tack vare en elektrisk propeller som kontinuerligt kompenserade för luftmotstånd. Dock, dess livslängd begränsades av de 40 kg xenon den hade som drivmedel – när det väl var slut, uppdraget var över.
Att byta ombord drivmedel med atmosfäriska molekyler skulle skapa en ny klass av satelliter som kan fungera i mycket låga banor under långa perioder.
Luftandande elektriska thrustrar kan också användas i ytterkanterna av atmosfärer på andra planeter, med hjälp av koldioxiden från Mars, till exempel.
"Detta projekt började med en ny design för att ösa upp luftmolekyler som drivmedel från toppen av jordens atmosfär på cirka 200 km höjd med en typisk hastighet på 7,8 km/s, " förklarar ESA:s Louis Walpot.
En komplett thruster utvecklades för att testa konceptet av Sitael i Italien, som utfördes i en vakuumkammare i deras testanläggningar, simulerar miljön på 200 km höjd.
En "partikelflödesgenerator" tillhandahöll de mötande höghastighetsmolekylerna för insamling av den nya Ram-Electric Propulsion-intaget och thrustern.
Ett framtida luftandningsrymduppdrag i låg omloppsbana runt jorden:drivs med cirka 7,8 km/s, satelliten skulle få i sig luftmolekyler från toppen av atmosfären (vänster) för att avfyra sin jonpropeller (höger), ger dragkraft för att övervinna luftmotstånd, så att den kan stanna i låg omloppsbana på obestämd tid. Kredit:ESA–A. Di Giacomo
Det finns inga ventiler eller komplexa delar - allt fungerar på ett enkelt sätt passiv grund. Allt som behövs är ström till spolarna och elektroderna, skapa ett extremt robust drag-kompensationssystem.
Utmaningen var att designa en ny typ av intag för att samla upp luftmolekylerna så att de istället för att bara studsa iväg samlas och komprimeras.
Molekylerna som samlas in av intaget designat av QuinteScience i Polen får elektriska laddningar så att de kan accelereras och kastas ut för att ge dragkraft.
Sitael designade en tvåstegs thruster för att säkerställa bättre laddning och acceleration av den inkommande luften, vilket är svårare att uppnå än i traditionella elektriska framdrivningskonstruktioner.
Luftmolekyler på toppen av atmosfären fångas upp av en ny typ av intag, sedan uppsamlad och komprimerad till den grad att den blir termaliserad joniserad plasma, vid vilken tidpunkt de kan ges en elektrisk laddning för att accelerera dem och mata ut dem för att ge dragkraft. Luftandande elektrisk framdrivning kan göra en ny klass med långlivad, uppdrag med låga banor genomförbara. Kredit:ESA–A. Di Giacomo
"Teamet körde datorsimuleringar på partikelbeteende för att modellera alla olika intagsalternativ, tillägger Louis, "men allt kom till detta praktiska test för att veta om det kombinerade inloppet och propellern skulle fungera tillsammans eller inte.
"Istället för att bara mäta den resulterande densiteten vid uppsamlaren för att kontrollera insugningsdesignen, vi bestämde oss för att montera en elektrisk thruster. På det här sättet, vi bevisade att vi verkligen kunde samla och komprimera luftmolekylerna till en nivå där propellantändning kunde äga rum, och mät den faktiska dragkraften.
"Först kontrollerade vi att vår thruster kunde antändas upprepade gånger med xenon som samlats upp från partikelstrålegeneratorn."
Som nästa steg, Louis förklarar, xenonet ersattes delvis av en luftblandning av kväve och syre:"När den xenonbaserade blå färgen på motorplymen ändrades till lila, vi visste att vi hade lyckats.
Den luftandande thrustern kördes från början med standard xenon-drivmedel, orsakar en blåaktig plym, som sedan successivt ersattes med en blandning av kväve och syre för att representera jordens atmosfär. Framgången präglades av att propellerplymen ändrades till lila. Kredit:ESA/Sitael
"Systemet antändes till slut upprepade gånger enbart med atmosfäriskt drivmedel för att bevisa konceptets genomförbarhet.
"Detta resultat betyder att luftandande elektrisk framdrivning inte längre bara är en teori utan en påtaglig, arbetskoncept, redo att utvecklas, att tjäna en dag som grunden för en ny klass av missioner."
Avfyrade först med standard xenondrivmedel, testpropellern förflyttades sedan till atmosfärisk luft, bevisar principen om luftandande elektrisk framdrivning. Kredit:ESA
