Плазменный двигатель, работающий на разреженном воздухе, позволит спутникам летать бесконечно

Исследователь из Штутгартского университета Франческо Романо предложил революционное решение для спутников на сверхнизких орбитах: использовать разреженный воздух, который обычно тормозит аппараты, в качестве топлива для плазменного двигателя. Работа опубликована в рамках его докторской диссертации и доступна на arXiv.

Спутники на высотах от 100 до 450 километров получают преимущества: камеры делают более чёткие снимки, связь требует меньше энергии, а отработавшие аппараты сами сходят с орбиты благодаря трению о воздух. Но есть и обратная сторона: чтобы не упасть, спутнику нужен двигатель, работающий почти постоянно, а значит — топливо. Обычно это дорогой ксенон.

Романо разработал систему, которая собирает молекулы разреженного воздуха перед аппаратом и превращает их в плазму, выбрасываемую назад для создания тяги. Такие системы называют «дышащими воздухом» электрическими двигателями (ABEP).

Главная сложность — атомарный кислород в верхних слоях атмосферы. Он крайне агрессивен и разрушает электроды, сетки ускорения и катоды стандартных ионных двигателей. Кроме того, сама атмосфера на этих высотах непостоянна: её плотность меняется в зависимости от времени суток, широты и солнечной активности.

Чтобы обойти эти проблемы, исследователь создал двигатель без нейтрализатора и без контакта плазмы с электродами. Вдохновением послужили... МРТ-аппараты. Антенна в форме «птичьей клетки», похожая на те, что используются в магнитно-резонансных томографах, обеспечила рекордную эффективность: 99% подводимой энергии попадает в двигатель.

Систему забора воздуха Романо тоже оптимизировал. Лучшим вариантом оказался параболический зеркальный уловитель, покрытый графитом или диоксидом кремния. Он собирает более 94% частиц воздуха и сохраняет эффективность даже при наклоне на 15 градусов.

Испытания в вакуумной камере показали: двигатель стабильно генерирует плазменные струи при мощности всего 50–60 ватт. Для реальных условий, например для спутника GOCE, расчёты показали возможность работать на высоте 190–250 километров практически бесконечно, используя менее 1,6 киловатта — в пределах возможностей стандартных солнечных панелей.

Технология применима не только к Земле. Марсианская атмосфера, состоящая в основном из углекислого газа, тоже может служить топливом для таких двигателей.