Quando se trata do futuro da exploração espacial, um dos maiores desafios está em surgir com motores que podem maximizar o desempenho e, ao mesmo tempo, garantir a eficiência de combustível. Isso não apenas reduzirá o custo de missões individuais, mas também garantirá que as naves robóticas (e até as tripuladas) possam operar por longos períodos no espaço sem precisar reabastecer.
Nos últimos anos, este desafio levou a alguns conceitos verdadeiramente inovadores, um dos quais foi recentemente construído e testado pela primeira vez por uma equipe da ESA. Esse conceito de motor consiste em um propulsor elétrico capaz de "pegar" moléculas de ar escassas do topo das atmosferas e usá-las como propulsor. Esse desenvolvimento abrirá caminho para todos os tipos de satélites que podem operar em órbitas muito baixas em torno de planetas por anos seguidos.
O conceito de um propulsor de respiração aérea (também conhecido como Propulsão Elétrica Ram) é relativamente simples. Em resumo, o motor trabalha com os mesmos princípios de um ramscoop (onde o hidrogênio interestelar é coletado para fornecer combustível) e um motor de íons - onde as partículas coletadas são carregadas e ejetadas. Esse mecanismo eliminaria o propulsor a bordo ao absorver moléculas atmosféricas ao passar pelo topo da atmosfera de um planeta.
O conceito foi objeto de um estudo intitulado "Propulsão elétrica RAM para operação em órbita baixa da terra: um estudo da ESA", apresentado na 30ª Conferência Internacional de Propulsão Elétrica em 2007. O estudo enfatizou como "os satélites de baixa órbita terrestre estão sujeitos às condições atmosféricas". arraste e, portanto, suas vidas são limitadas às tecnologias atuais de propulsão pela quantidade de propulsor que eles podem transportar para compensar isso. ”
Os autores do estudo também indicaram como os satélites que usam propulsão elétrica de impulso específico alto seriam capazes de compensar o arrasto durante a operação em baixa altitude por um longo período de tempo. Mas, como concluem, essa missão também seria limitada à quantidade de combustível que poderia levar. Esse certamente foi o caso do campo Gravity da ESA e do satélite mapeador de gravidade Ocean Circulation Explorer (GOCE) do estado estacionário,
Enquanto o GOCE permaneceu em órbita da Terra por mais de quatro anos e operou em altitudes tão baixas quanto 250 km (155 milhas), sua missão terminou no momento em que esgotou seu suprimento de 40 kg (88 libras) de xenônio como propulsor. Como tal, o conceito de um sistema de propulsão elétrica que utiliza moléculas atmosféricas como propulsor também foi investigado. Como o Dr. Louis Walpot da ESA explicou em um comunicado de imprensa da ESA:
"Este projeto começou com um novo design para coletar moléculas de ar como propulsor do topo da atmosfera da Terra, a cerca de 200 km de altitude, com uma velocidade típica de 7,8 km / s".
Para desenvolver esse conceito, a empresa aeroespacial italiana Sitael e a empresa aeroespacial polonesa QuinteScience se uniram para criar um novo design de admissão e propulsor. Enquanto a QuinteScience construía uma entrada que coletaria e comprimiria as partículas atmosféricas recebidas, Sitael desenvolveu um propulsor de dois estágios que carregaria e aceleraria essas partículas para gerar empuxo.
A equipe executou simulações de computador para ver como as partículas se comportariam em uma variedade de opções de consumo. Mas, no final, eles escolheram realizar um teste prático para ver se a ingestão e o propulsor combinados funcionariam juntos ou não. Para fazer isso, a equipe testou em uma câmara de vácuo em uma das instalações de teste da Sitael. A câmara simulou um ambiente a 200 km de altitude, enquanto um "gerador de fluxo de partículas" forneceu as moléculas de alta velocidade que se aproximavam.
Para fornecer um teste mais completo e garantir que o propulsor funcionasse em um ambiente de baixa pressão, a equipe começou acendendo-o com propulsor de xenônio. Walpot explicou:
“Em vez de simplesmente medir a densidade resultante no coletor para verificar o design da entrada, decidimos conectar um propulsor elétrico. Dessa 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. A princípio, verificamos que nosso propulsor podia ser acionado repetidamente com o xenônio coletado do gerador de feixe de partículas. ”
Como próximo passo, a equipe substituirá parcialmente o xenônio por uma mistura de nitrogênio e oxigênio para simular a atmosfera superior da Terra. Como esperado, o motor continuou acionando, e a única coisa que mudou foi a cor do impulso.
"Quando a cor azul da pluma do motor com base em xenônio mudou para roxo, sabíamos que havíamos conseguido", disse Walpot. "O sistema foi finalmente inflamado repetidamente apenas com propulsor atmosférico para provar a viabilidade do conceito. Esse resultado significa que a propulsão elétrica que respira o ar não é mais apenas uma teoria, mas um conceito tangível de trabalho, pronto para ser desenvolvido, para servir um dia como base de uma nova classe de missões. ”
O desenvolvimento de propulsores elétricos que respiram ar poderia permitir uma classe inteiramente nova de satélites que poderia operar com as franjas das atmosferas de Marte, Titã e outros corpos por anos seguidos. Com esse tipo de vida útil operacional, esses satélites poderiam coletar volumes de dados sobre as condições meteorológicas desses corpos, mudanças sazonais e a história de seus climas.
Tais satélites também seriam muito úteis quando se trata de observar a Terra. Como eles seriam capazes de operar em altitudes mais baixas do que as missões anteriores e não seriam limitados pela quantidade de propulsor que poderiam transportar, os satélites equipados com propulsores de respiração aérea poderiam operar por longos períodos de tempo. Como resultado, eles poderiam oferecer análises mais aprofundadas sobre Mudanças Climáticas e monitorar padrões meteorológicos, mudanças geológicas e desastres naturais mais de perto.
