První zážeh elektrického motoru pracujícího se vzduchem

Sonda ESA k mapování gravitace GOCE letěla na oběžné dráze nižší než 250 km nad Zemí více než pět let díky elektrickému motoru, který neustále kompenzoval odpor (byť minimální) atmosféry. Jenže jeho práce byla limitována 40 kg xenonu, který s sebou družice měla jako pracovní látku. Jakmile ho spotřebovala, atmosféra vyhrála a mise skončila.

Ovšem pokud by se podařilo nahradit palubní zásoby pracovní látky atmosférickými molekulami, mohla by vzniknout nová třída družic schopných pracovat na velmi nízkých oběžných drahách po velmi dlouhou dobu. Elektrické motory využívající zbytky atmosféry by také mohly být použity na extrémně nízkých drahách u jiných planet, například u Marsu.

„Tento projekt začal jako novátorský návrh využívající jako pracovní látky molekul vzduchu ze svrchních vrstev zemské atmosféry ve výšce 200 km při typické rychlosti 7,8 km/s,“ uvedl Louis Walpot z ESA.

Pro ověření koncepce byl vyvinutý kompletní motor. Následně došlo k jeho zkouškám ve vakuové komoře v italské firmě Sitael, kde byly simulovány podmínky odpovídající výšce 200 km.

Pro inovativní sání a vlastní motor REP (Ram-Electric Propulsion) pak dodával molekuly o vysoké rychlosti „generátor toku částic“.

Jednotka přitom nemá žádné ventily nebo komplexní části: všechno pracuje na jednoduchém, pasivním základě. Vše, co je potřeba, je energie pro cívky a elektrody, které vytváří extrémně robustní systém kompenzace atmosférického odporu.

Největší výzvy představoval návrh nového typu sání pro sběr molekul vzduchu, které namísto toho, aby se odrazily pryč, jsou posbírány a stlačeny.

Molekuly posbírané sáním navrženým QuinteScience z Polska jsou pak elektricky nabité, takže mohou být urychlené a „vystřelené“, čímž poskytují odpovídající tah.

Dvoustupňový návrh zajišťuje lepší nabíjení vstupujících molekul, což je jinak obtížně dosažitelné, než v tradičním návrhu elektrického pohonu.  

„Tým provedl počítačové simulace chování částic, čímž vytvořil model beroucí v úvahu všechny možné varianty vstupu,“ dodává Louis Walpot. „Ovšem až skutečný test prokázal, zdali sání a motor mohou nebo naopak nemohou společně fungovat.“

„Namísto prostého měření výsledné hustoty materiálu ve sběrači, což by dostatečně ověřilo návrh vstupu, jsme se rozhodli připojit skutečný elektrický motor. Tímto způsobem jsme jednoznačně prokázali, že dokážeme shromažďovat a stlačovat molekuly vzduchu až na úroveň, které je použitelná pro start motoru, ale také jsme dosáhli měřitelného tahu.“

„Nejprve jsme zkontrolovali, zdali může být náš motor opakovaně nastartovaný s pomocí xenonu vysílaného generátorem částic.“

Jak Louis Walpot vysvětluje, v dalším kroku byl xenon částečně nahrazený směsí kyslíku a dusíku: „Když se xenonová modrá barva látky vystupující z motoru proměnila na fialovou, věděli jsme, že jsme uspěli.“

„A nakonec jsme opakovaně zapnuli motor s čistě atmosférickou směsí, abychom plně prověřili životaschopnost konceptu.“

„Tento výsledek znamená, že elektrický motor využívající atmosférický vzduch nepředstavuje jen myšlenku, ale skutečný a prověřený koncept, který může být dále vyvíjen. Jednoho dne tak může zajišťovat zcela novou kategorii misí.“

Projekt byl podporovaný skrze program ESA TRP (Technology Research Programme), v jehož rámci jsou vyvíjené slibné myšlenky.