Quando si tratta del futuro dell'esplorazione dello spazio, una delle maggiori sfide è rappresentata dai motori in grado di massimizzare le prestazioni garantendo al contempo l'efficienza del carburante. Ciò non solo ridurrà il costo delle singole missioni, ma garantirà che i veicoli spaziali robotici (e persino i veicoli spaziali con equipaggio) possano operare per lunghi periodi di tempo nello spazio senza dover fare rifornimento.
Negli ultimi anni, questa sfida ha portato ad alcuni concetti veramente innovativi, uno dei quali è stato recentemente costruito e testato per la prima volta da un team dell'ESA. Questo concetto di motore è costituito da un propulsore elettrico in grado di "raccogliere" scarse molecole d'aria dalle cime delle atmosfere e usarle come propellente. Questo sviluppo aprirà la strada a tutti i tipi di satelliti che possono operare in orbite molto basse attorno ai pianeti per anni alla volta.
Il concetto di propulsore ad aria respirabile (alias Ram-Electric Propulsion) è relativamente semplice. In breve, il motore funziona secondo gli stessi principi di un ariete (in cui l'idrogeno interstellare viene raccolto per fornire combustibile) e un motore a ioni - in cui le particelle raccolte vengono caricate ed espulse. Un tale motore eliminerebbe il propellente di bordo assorbendo molecole atmosferiche mentre attraversava la parte superiore dell'atmosfera di un pianeta.
Il concetto è stato oggetto di uno studio intitolato "Propulsione elettrica RAM per funzionamento in orbita terrestre bassa: uno studio dell'ESA", presentato alla 30a Conferenza internazionale sulla propulsione elettrica nel 2007. Lo studio ha sottolineato come "I satelliti dell'orbita terrestre bassa sono soggetti all'atmosfera trascinamento e quindi la loro durata di vita è limitata con le attuali tecnologie di propulsione dalla quantità di propellente che possono trasportare per compensarla. "
Gli autori dello studio hanno anche indicato come i satelliti che utilizzano una propulsione elettrica ad impulso specifico specifico siano in grado di compensare la resistenza durante le operazioni a bassa quota per un lungo periodo di tempo. Ma come concludono, una tale missione si limiterebbe anche alla quantità di carburante che potrebbe trasportare. Questo è stato certamente il caso del campo gravitazionale dell'ESA e del satellite per mappatura gravitazionale Ocean Circulation Explorer (GOCE),
Mentre GOCE rimase in orbita attorno alla Terra per più di quattro anni e operò ad altitudini fino a 250 km (155 mi), la sua missione terminò nel momento in cui esaurì la sua scorta di xeno di 40 kg (88 libbre) come propellente. Come tale, è stato anche studiato il concetto di un sistema di propulsione elettrica che utilizza molecole atmosferiche come propellente. Come ha spiegato il dott. Louis Walpot dell'ESA in un comunicato stampa dell'ESA:
"Questo progetto è iniziato con un nuovo design per raccogliere molecole d'aria come propellente dalla cima dell'atmosfera terrestre a circa 200 km di altitudine con una velocità tipica di 7,8 km / s."
Per sviluppare questo concetto, la società aerospaziale italiana Sitael e la società aerospaziale polacca QuinteScience si sono unite per creare un nuovo design di aspirazione e propulsione. Mentre QuinteScience ha costruito un'aspirazione che avrebbe raccolto e compresso le particelle atmosferiche in arrivo, Sitael ha sviluppato un propulsore a doppio stadio che avrebbe caricato e accelerato queste particelle per generare spinta.
Il team ha quindi eseguito simulazioni al computer per vedere come si sarebbero comportate le particelle attraverso una gamma di opzioni di immissione. Ma alla fine, hanno scelto di condurre un test di pratica per vedere se l'assunzione combinata e il thruster avrebbero funzionato insieme o no. Per fare ciò, il team lo ha testato in una camera a vuoto in una delle strutture di test di Sitael. La camera simulava un ambiente a 200 km di altitudine mentre un "generatore di flusso di particelle" forniva le molecole ad alta velocità in arrivo.
Per fornire un test più completo e assicurarsi che il propulsore funzionasse in un ambiente a bassa pressione, il team ha iniziato accendendolo con propellente allo xeno. Walpot ha spiegato:
“Invece di misurare semplicemente la densità risultante sul collettore per verificare il design dell'aspirazione, abbiamo deciso di collegare un propulsore elettrico. In questo modo, abbiamo dimostrato di poter effettivamente raccogliere e comprimere le molecole d'aria a un livello in cui potrebbe avvenire l'accensione del propulsore e misurare la spinta effettiva. Inizialmente abbiamo verificato che il nostro propulsore potesse essere acceso più volte con lo xeno raccolto dal generatore di fasci di particelle. "
Come passo successivo, il team sostituisce parzialmente lo xeno con una miscela di aria azoto-ossigeno per simulare l'atmosfera superiore della Terra. Come sperato, il motore continuò a funzionare e l'unica cosa che cambiò fu il colore della spinta.
"Quando il colore blu a base di xeno del pennacchio del motore è diventato viola, sapevamo che ci saremmo riusciti", ha detto il dott. Walpot. "Il sistema è stato infine acceso ripetutamente esclusivamente con propellente atmosferico per dimostrare la fattibilità del concetto. Questo risultato significa che la propulsione elettrica a respirazione aerea non è più semplicemente una teoria ma un concetto tangibile e funzionante, pronto per essere sviluppato, per servire un giorno come base per una nuova classe di missioni. "
Lo sviluppo di propulsori elettrici ad aria respirabile potrebbe consentire una classe completamente nuova di satellite in grado di funzionare con le frange delle atmosfere di Marte, Titano e altri corpi per anni alla volta. Con questo tipo di durata operativa, questi satelliti potrebbero raccogliere volumi di dati sulle condizioni meteorologiche di questi corpi, i cambiamenti stagionali e la storia dei loro climi.
Tali satelliti sarebbero anche molto utili quando si tratta di osservare la Terra. Dal momento che sarebbero in grado di operare a quote inferiori rispetto alle precedenti missioni e non sarebbero limitati dalla quantità di propellente che potevano trasportare, i satelliti dotati di propulsori ad aria respirabile potevano funzionare per lunghi periodi di tempo. Di conseguenza, potrebbero offrire analisi più approfondite sui cambiamenti climatici e monitorare più da vicino gli schemi meteorologici, i cambiamenti geologici e le catastrofi naturali.
