Propulsor de íons com respiração aérea. Crédito:ESA / Sitael
Em uma estreia mundial, uma equipe liderada pela ESA construiu e disparou um propulsor elétrico para ingerir moléculas de ar escassas do topo da atmosfera para propelente, abrindo caminho para satélites voando em órbitas muito baixas por anos a fio.
O mapeador de gravidade GOCE da ESA voou até 250 km por mais de cinco anos graças a um propulsor elétrico que compensava continuamente a resistência do ar. Contudo, sua vida útil foi limitada pelos 40 kg de xenônio que carregava como propelente - uma vez que se esgotou, a missão acabou.
Substituir o propelente a bordo por moléculas atmosféricas criaria uma nova classe de satélites capazes de operar em órbitas muito baixas por longos períodos.
Propulsores elétricos que respiram ar também podem ser usados nas periferias externas de atmosferas de outros planetas, com base no dióxido de carbono de Marte, por exemplo.
"Este projeto começou com um design inovador para recolher moléculas de ar como propelente do topo da atmosfera da Terra a cerca de 200 km de altitude com uma velocidade típica de 7,8 km / s, "explica Louis Walpot da ESA.
Um propulsor completo foi desenvolvido para testar o conceito pela Sitael na Itália, que foi realizado em uma câmara de vácuo em suas instalações de teste, simulando o ambiente a 200 km de altitude.
Um 'gerador de fluxo de partículas' forneceu as moléculas de alta velocidade que se aproximavam para coleta pela nova entrada e propulsor Ram-Electric Propulsion.
Uma futura missão espacial que respira ar em órbita baixa ao redor da Terra:impulsionada a cerca de 7,8 km / s, o satélite ingeriria moléculas de ar do topo da atmosfera (esquerda) para disparar seu propulsor de íons (direita), fornecendo impulso para superar o arrasto atmosférico, permitindo que ele permaneça em órbita baixa indefinidamente. Crédito:ESA – A. Di Giacomo
Não há válvulas ou peças complexas - tudo funciona de uma forma simples, base passiva. Tudo o que é necessário é energia para as bobinas e eletrodos, criando um sistema de compensação de arrasto extremamente robusto.
O desafio era projetar um novo tipo de entrada para coletar as moléculas de ar de forma que, em vez de simplesmente ricochetear, elas fossem coletadas e comprimidas.
As moléculas coletadas pela entrada projetada pela QuinteScience na Polônia recebem cargas elétricas para que possam ser aceleradas e ejetadas para fornecer impulso.
Sitael projetou um propulsor de duplo estágio para garantir melhor carregamento e aceleração do ar que entra, que é mais difícil de alcançar do que em projetos de propulsão elétrica tradicionais.
Moléculas de ar no topo da atmosfera são capturadas por um novo tipo de entrada, então coletado e comprimido ao ponto de se tornar plasma ionizado termalizado, nesse ponto, eles podem receber uma carga elétrica para acelerá-los e ejetá-los para fornecer impulso. A propulsão elétrica com respiração aérea poderia constituir uma nova classe de pessoas de longa vida, missões de baixa órbita são viáveis. Crédito:ESA – A. Di Giacomo
"A equipe fez simulações de computador sobre o comportamento das partículas para modelar todas as diferentes opções de ingestão, "acrescenta Louis, "mas tudo se resumia a este teste prático para saber se a entrada combinada e o propulsor funcionariam juntos ou não.
"Em vez de simplesmente medir a densidade resultante no coletor para verificar o projeto de admissão, decidimos anexar um propulsor elétrico. Desta maneira, provamos que poderíamos realmente coletar e comprimir as moléculas de ar a um nível em que a ignição do propulsor pudesse ocorrer, e medir o impulso real.
"No início, verificamos que nosso propulsor poderia ser aceso repetidamente com xenônio coletado do gerador de feixe de partículas."
Como uma próxima etapa, Louis explica, o xenônio foi parcialmente substituído por uma mistura de nitrogênio-oxigênio:"Quando a cor azul à base de xenônio da pluma do motor mudou para púrpura, sabíamos que havíamos obtido sucesso.
O propulsor de respiração aérea foi inicialmente executado com propelente de xenônio padrão, causando uma pluma azulada, que foi então progressivamente substituído por uma mistura de nitrogênio e oxigênio para representar a atmosfera da Terra. O sucesso foi marcado pela pluma do propulsor mudando para roxo. Crédito:ESA / Sitael
“O sistema foi finalmente aceso repetidamente apenas com propelente atmosférico para provar a viabilidade do conceito.
"Esse resultado significa que a propulsão elétrica com respiração aérea não é mais simplesmente uma teoria, mas um material tangível, conceito de trabalho, pronto para ser desenvolvido, para servir um dia como base de uma nova classe de missões. "
Disparado primeiro usando propelente de xenônio padrão, o propulsor de teste foi então deslocado para o ar atmosférico, comprovando o princípio da propulsão elétrica respiratória. Crédito:ESA
