Плазма мотор на ваздух могао би да реши један од највећих проблема сателита у веома ниској Земљиној орбити – сталну потребу за горивом. Нови концепт користи управо разређене молекуле атмосфере који успоравају летелицу, сакупља их, претвара у плазму и избацује као млаз за стварање потиска. Ако технологија једног дана буде потврђена у свемиру, поједини сателити могли би практично неограничено да остају на малим висинама без класичних залиха ксенона или другог погонског гаса.
Идеју је у оквиру докторске дисертације на Универзитету у Штутгарту развио Франческо Романо. Његов циљ био је да искористи специфичности веома ниске Земљине орбите, познате као VLEO, која се простире приближно од 100 до 450 километара изнад Земље, пише Universe Today.
ПОВЕЗАНЕ ВЕСТИ
Table of Contents
Зашто су веома ниске орбите толико привлачне
Сателит смештен ближе Земљи може да оствари значајне предности. Камере за даљинско осматрање могу да праве детаљније снимке, комуникациони и радарски системи захтевају мање снаге, а атмосферски отпор помаже да се неактивни сателити природно спусте и сагоре у атмосфери.
То последње представља и важну предност у борби против свемирског отпада.
ФОТО: Frame Stock Footage/ShutterstockАли исти ваздух који помаже да се орбита после завршетка мисије „очисти“ представља озбиљан проблем за активну летелицу. Чак и на висинама од неколико стотина километара постоји довољно молекула гаса да постепено успоравају сателит.
Зато мотор мора често, а у најнижим орбитама готово непрекидно, да надокнађује губитак брзине. Класични електрични мотори за то користе погонски гас, често скупи ксенон. Када се залиха потроши, мисија се приближава крају.
ШТА ЈЕ VLEO
Веома ниска Земљина орбита, или VLEO, обухвата приближно висине од 100 до 450 километара. Сателити на тим висинама налазе се знатно ближе површини него већина класичних орбиталних летелица. То омогућава боље снимање Земље и мању потрошњу енергије за поједине комуникационе и радарске системе.
Недостатак је далеко већи атмосферски отпор. Молекули разређеног ваздуха непрекидно успоравају летелицу и обарају јој орбиту. Зато је за дуготрајан рад потребан сталан потисак, што код традиционалних система значи и сталну потрошњу ограничене количине погонског гаса.
Плазма мотор на ваздух користи оно што га успорава
Романов систем припада групи технологија познатих као Atmosphere-Breathing Electric Propulsion – електрични погон који користи честице атмосфере као радни медијум.
Принцип је наизглед једноставан. Улазни систем на предњем делу летелице хвата изузетно разређене молекуле ваздуха и усмерава их ка електричном мотору. Тамо се гас јонизује и претвара у плазму, која се потом убрзава и избацује уназад.
Тако настаје потисак.
Другим речима, атмосфера истовремено представља и проблем и решење – честице које стварају отпор постају материјал који мотор користи да тај исти отпор надокнади.
Међутим, између једноставне идеје и практичног мотора стоји неколико великих техничких препрека.
ФОТО: Jackie Niam/ShutterstockАтомски кисеоник напада делове мотора
Један од највећих проблема је атомски кисеоник. Ултраљубичасто зрачење у горњим слојевима атмосфере раздваја молекуле кисеоника O₂ и ствара веома реактивне појединачне атоме.
Такав кисеоник снажно оксидира материјале. Може да оштети металне електроде, решетке за убрзавање честица и катоде које се користе у класичним Hall и другим јонским моторима.
Посебно је проблематична катода која служи као својеврсни „електронски топ“. Њен задатак је да електрично неутралише летелицу после избацивања наелектрисаних честица.
Без тог процеса сателит би се наелектрисао и почео да привлачи честице које је управо избацио, чиме би се ефекат потиска поништио.
Додатну компликацију представља то што се густина и састав горње атмосфере мењају са сменом дана и ноћи, географском ширином и активношћу Сунца. Мотор зато мора стабилно да ради у веома различитим условима.
ФОТО: CGD Shahidul/ShutterstockТри усисника, али један убедљив победник
Да би решио проблем прикупљања честица, Романо је испитао три различита типа усисника.
Први, назван „унапређени левак“, понашао се као молекуларна замка за честице које су толико удаљене једна од друге да се готово никада међусобно не сударају.
Други је био компактни дифузни усисник са шестоугаоном структуром направљеном од обложене легуре титанијума.
Трећи, спекуларни усисник, користио је параболичну површину пресвучену графитом или силицијум-диоксидом како би честице одбијао директно ка мотору.
Управо тај систем показао се најуспешнијим.
У тестовима у ваздушном тунелу сакупљао је око 94,3 одсто честица атомског кисеоника, аргона или азота. Чак и када је систем био нагнут за 15 степени у односу на правац струјања, ефикасност је опала за свега осам одсто.
ФОТО: Компас/ИлустрацијаОД ВАЗДУХА ДО ПЛАЗМЕ
Систем функционише у неколико корака. Најпре усисник хвата атомски кисеоник, азот, аргон и друге честице из веома разређене горње атмосфере. Оне се затим усмеравају у радио–фреквентни helikon плазма потисник. Електромагнетна енергија јонизује гас и претвара га у плазму, а магнетно поље усмерава настале честице ка излазу мотора. Избачени млаз ствара потисак који надокнађује атмосферски отпор.
Кључна предност је то што сателит не мора са Земље да понесе велике количине погонског гаса – радни материјал проналази директно у атмосфери кроз коју лети.
Инспирација за мотор дошла је из магнетне резонанце
За сам потисник Романо је инспирацију пронашао у медицинској технологији.
Употребио је такозвану birdcage антену, конструкцију сличну онима које се користе у уређајима за магнетну резонанцу. Такав дизајн омогућио је да чак 99 одсто доведене електричне енергије стигне у потисник.
То је веома висок степен ефикасности у поређењу са класичним жичаним калемовима, код којих се део енергије губи.
Соленоид око мотора ствара магнетно поље које избацује плазму у облику квазинеутралног млаза. Пошто млаз садржи и позитивне и негативне честице, посебан неутрализатор није потребан.
ПОВЕЗАНЕ ВЕСТИ
На тај начин елиминише се управо један од делова који би атомски кисеоник могао брзо да оштети.
Лабораторијски тестови били су охрабрујући. У вакуумској комори симулирани су услови VLEO и концентрације три главна гаса са којима би мотор могао да се сусретне. Стабилан млаз плазме добијен је са свега 50 до 60 вати радио–фреквентне снаге.
Од Земље до Марса – али за сада само на папиру и у лабораторији
После експерименталне провере, Романо је модел применио на реалне свемирске мисије.
Један од примера био је ESA сателит GOCE, који је радио у веома ниској орбити користећи ксенонски јонски мотор и на крају остао без горива.
Према прорачунима из дисертације, нови систем могао би неограничено да одржава сателит на висинама од приближно 190 до 250 километара уз потрошњу мању од 1,6 киловата. То је количина снаге коју стандардни соларни панели свемирске летелице могу да обезбеде.
Идеја није ограничена само на Земљу.
Марс има танку атмосферу у којој доминира угљен-диоксид. Прорачуни показују да би сличан систем теоретски могао да одржава летелицу на висинама од око 120 до 160 километара изнад Црвене планете – далеко ближе површини од садашњих орбитера.
Ипак, ту је неопходна велика ограда. Нема гаранције да ће овај плазма мотор на ваздух икада напустити лабораторију. Систем тек треба доказати у стварној свемирској мисији, где су услови далеко сложенији од контролисаног експеримента.
Ако технологија успешно прође ту проверу, могла би да отвори нову класу дуготрајних сателита који би се кретали много ближе Земљи него данас – и за погон користили управо готово невидљив слој ваздуха који их тренутно највише успорава.
