Воздух вместо ксенона: спутники учатся питаться атмосферой
Учёные всё ближе к тому, чтобы спутники могли летать в самых нижних слоях атмосферы, используя в качестве топлива сам воздух, который их тормозит. На высотах от 100 до 450 километров — в области, называемой очень низкой околоземной орбитой — есть ощутимые выгоды: камеры дистанционного зондирования дают более чёткие снимки, системам связи и радарам нужно меньше энергии, а атмосферное сопротивление само убирает отслужившие аппараты с орбиты, не оставляя мусора. Но та же самая атмосфера создаёт и главную проблему: воздух тормозит спутник, и чтобы оставаться на месте, ему приходится почти непрерывно вырабатывать тягу. Обычные двигатели для этого требуют запаса топлива на борту, часто дорогого газа ксенона, который рано или поздно заканчивается.
Франческо Романо, исследователь из Штутгартского университета, предложил иной подход. Его идея — забирать те самые молекулы атмосферы, которые создают торможение, и использовать их как топливо для плазменного двигателя. Такой спутник мог бы находиться на очень низкой орбите неограниченно долго, не неся с собой привычного запаса топлива. Технология относится к классу атмосферно-дышащих электроракетных двигателей: они собирают крайне разреженный воздух перед аппаратом, направляют его в электрический двигатель, превращают в плазму и выбрасывают назад, создавая тягу.
Простая на словах идея требует решения нескольких сложных инженерных задач. Первая — атомарный кислород. В верхних слоях атмосферы ультрафиолетовое излучение разбивает обычный кислород O₂ на отдельные агрессивные атомы. Этот атомарный кислород разрушает металлические электроды, ускорительные сетки и катоды ионных двигателей. Особенно критично то, что он выводит из строя катоды электронной пушки, которая нейтрализует заряд спутника — без неё аппарат начинает притягивать обратно свои же заряженные частицы, и тяга исчезает. Вторая проблема — изменчивость самой атмосферы: её плотность меняется в зависимости от времени суток, широты и солнечной активности, и двигатель должен устойчиво работать в любых условиях.
Чтобы обойти эти трудности, Романо создал бесконтактный двигатель без нейтрализатора — радиочастотный геликонный плазменный ускоритель — и подобрал к нему оптимальную систему забора воздуха. Он испытал три варианта: «улучшенную воронку», работающую как молекулярная ловушка; «диффузный заборник» из покрытого титанового сплава; и «зеркальный заборник» — параболическое зеркало с покрытием из графита или диоксида кремния, которое направляет частицы прямо в двигатель. Победил зеркальный вариант: он улавливал около 94,3% частиц воздуха, и эффективность падала лишь на 8% при наклоне на 15 градусов.
Для самого двигателя Романо позаимствовал идею у медицинских приборов — он использовал антенну типа «птичья клетка», похожую на те, что применяются в МРТ. Это позволило довести долю электрической мощности, реально попадающей в двигатель, до 99%, что выше, чем у стандартных проволочных катушек, которые теряют часть энергии. Соленоид вокруг двигателя создаёт магнитное поле и выталкивает плазму назад в виде квазинейтральной струи: наружу уходят и положительные, и отрицательные ионы, поэтому отдельный нейтрализатор не нужен. В вакуумной камере, где имитировалась концентрация газов, характерная для очень низкой орбиты, двигатель стабильно создавал плазменные потоки при мощности всего 50–60 ватт — это вполне по силам обычным солнечным панелям спутников.
Дальше Романо применил модель к реальным сценариям. Например, к спутнику GOCE, который работал на ксеноновом ионном двигателе и в итоге исчерпал топливо. Расчёты показывают, что новый двигатель мог бы работать неограниченно на высотах от 190 до 250 километров, потребляя менее 1,6 киловатта. Это открывает перспективы не только для Земли: атмосфера Марса состоит в основном из углекислого газа, и там двигатель, по оценкам, мог бы поддерживать аппарат на высоте 120–160 километров — гораздо ближе к поверхности, чем существующие орбитальные спутники.
Гарантий, что этот двигатель когда-нибудь выйдет за пределы лаборатории, нет. Но идея перспективна, и у неё есть коммерческий потенциал, если технологию удастся довести до реальной миссии. Пока неясно, планирует ли Романо двигаться в этом направлении, но его работа уже показала, что у конструкции есть потенциал — возможно, кто-то захочет его реализовать.
Источник: SciTechDaily
