Pierwszy na świecie silnik elektryczny zasilany powietrzem

Misja ESA GOCE badająca pole grawitacyjne Ziemi latała na bardzo niskiej orbicie na wysokości 250 km przez ponad pięć lat dzięki ciągle pracującemu silnikowi jonowymi, który kompensował opór powietrza. Długość pracy satelity była jednak ograniczona przez 40 kg ksenonu, który służył jako paliwo. Wraz z jego wyczerpaniem, zakończyła się również i misja.

Zastąpienia paliwa na pokładzie satelity cząsteczkami z atmosfery stworzyłoby nową klasę satelitów, zdolnych do pracy na bardzo niskich orbitach przez dłuższy czas.

Zasilane powietrzem silniki elektryczne mogłyby zostać użyte również nad górnymi warstwami atmosfery innych planet, przykładowo na Marsie paliwem mógłby być dwutlenek węgla.
„Rozpoczęliśmy prace nad nowatorskim projektem, pozwalającym pobrać cząsteczki powietrza z górnych warstw atmosfery ziemskiej na wysokości około 200 km przy prędkości około 7,8 km/s”, tłumaczy Louis Walpot z ESA.

Kompletny silnik został zbudowany do testów przez włoski Sitael. Testy przeprowadzono w komorze próżniowej spółki, symulując środowisko panujące na wysokości 200 km.

Generator przepływu cząsteczek zapewnił lecące z dużą prędkością cząsteczki, które zostały zebrane przez nowatorski system do silnika elektrycznego.

Nie ma w nim zaworów ani skomplikowanych elementów – wszystko pracuje na prostych, pasywnych zasadach. Potrzeba tylko zasilania dla cewek i elektrod, przez co tworzy się wyjątkowo efektywny system kompensacji oporu powietrza.

Wyzwaniem było zbudowanie nowego sposobu pobierania, który gromadziłby i kompresowałby cząsteczki powietrza zamiast je odbijać.

Cząsteczki zbierane przez system, który zaprojektowała firma QuinteScience z Polski, otrzymują ładunek elektryczny, przez co mogą być przyśpieszone i wyrzucone z silnika, tworząc ciąg.

Sitael zaprojektował dwuetapowy silnik zapewniający lepsze ładowanie i przyśpieszanie wlatującego powietrza, co jest trudniejsze do uzyskania niż w przypadku tradycyjnych silników elektrycznych.

„Zespół przeprowadził symulacje komputerowe, modelując zachowania cząsteczek we wszystkich możliwych opcjach wlotu”, dodaje Walpot. „W praktyce trzeba było jednak zrobić test, aby potwierdzić, czy połączony system wlotu i silnik będą razem pracować”.

„Zamiast mierzyć zebraną gęstość w kolektorze cząstek, by sprawdzić konstrukcję systemu wlotu, zadecydowaliśmy się przyłączyć do niego elektryczny silnik. W ten sposób wykazaliśmy, że możemy zebrać i skompresować cząsteczki powietrza do poziomu, gdzie możliwe będzie odpalenie silnika, jak również zmierzenie właściwego ciągu”.

„Na początku sprawdziliśmy, czy nasz silnik może zostać wielokrotnie odpalony za pomocą ksenonu zebranego przez generator przepływu cząstek”.

Następnie ksenon został częściowo zastąpiony przez mieszaninę tlenowo-azotową. „Gdy ksenonowy niebieski kolor wyziewów silnika zmienił się na fioletowy, wiedzieliśmy, że nam się udało”.

„Ostatecznie system został wielokrotnie uruchomiony jedynie za pomocą atmosferycznego paliwa, potwierdzając wykonalność projektu”.

„Oznacza to, że silniki elektryczne zasilane powietrzem nie są już tylko teorią, lecz rzeczywistym działającym konceptem, który można rozwijać, aby pewnego dnia stał się podstawą nowej klasy misji”.

Projekt został wsparty w ramach Programu Wsparcia Technologii ESA rozwijającego nowe pomysły dla sektora kosmicznego, przy udziale programu Obserwacji Ziemi.