VLEO pályák választása mindig kompromisszumokat hoz magával. A 100–450 kilométer közötti zóna számos előnnyel kecsegtet: a távérzékelő kamerák élesebbek lehetnek, a kommunikáció és a radar kevesebb energiát igényel, és a légellenállás idővel kiírtja a használaton kívüli műholdakat. Ennek ellenére ott az ár is, hiszen a levegő ellenállása miatt a műholdnak szinte folyamatos hajtást kell biztosítania, ami üzemanyagigényhez és költséges gázok, például xenon felhasználásához vezet. Így Francesco Romano, a Stuttgarti Egyetem PhD-hallgatója dolgozatában egy olyan megoldást keresett, amely a légkört használja üzemanyagként, hogy a műholdak hosszú ideig fent maradhassanak a VLEO-ban.
Tartalomjegyzék
Az ötlet az Atmosphere-Breathing Electric Propulsion, vagyis az ABEP kategóriába tartozik. Ezek a rendszerek a hajtó elülső részén felhúzott vékony levegőt elektromos hajtóműbe vezetik, ahol a molekulákat plazmává alakítják, és a kilövellt plazma tolóhatást biztosít a hátul. Elméletben könnyen érthető, de a gyakorlatban számos technikai probléma felmerül, amelyeket meg kell oldani.
Az egyik legkritikusabb tényező az atomos oxigén, az AO. A felső légkör UV-sugárzása az O2-t ebbe a rendkívül reakív, szabad atomformába bontja, amely oxidatív tulajdonságai miatt károsítja a fém elektródákat, az acceleration rácsokat, sőt a katódokat is a hagyományos ionhajtóművekben. Emellett az AO agresszívan rongálhatja a rendszert működtető „electron gun” katódjait is, amelyek a töltött részecskéket semlegesítenék. A légkör változékonysága pedig tovább nehezíti a megbízható működést, hiszen a nappal-éjszaka váltakozása, a földrajzi elhelyezkedés és a napszaki aktivitás mind beleszólnak a rendszer teljesítményébe. E kihívásokra adott megoldást Romano egy érintkezésmentes, neutralizáló nélküli RF Helicon plazmahajtó és egy optimalizált légáramlási rendszer társításával dolgozta ki.
Az ABEP koncepció és a fő kihívások
A tanulmány szerint az AO problémája azért kulcsfontosságú, mert a még nem teljesen semlegesített plazma hosszú távon a hajtómű belső elemeit támadhatja. A plazmaáram hatékonysága és a hajtás megbízhatósága mind attól függ, mennyire sikerül ellenőrizni és megakadályozni a káros oxidációt. Emellett a légkör változékonysága állandó kihívást jelent az ABEP rendszerek számára, mivel a működési környezet sokféle körülmények között lehet zavaró. Romano ezért olyan megoldást dolgozott ki, amely érintkezésmentes és külső semlegesítő eszköz nélküli működést biztosít, miközben az atmoszférától származó molekulák hatékonyan jutnak a hajtóműbe.
A tanulmány továbbá rámutat arra, hogy az AO közvetlenül érintheti a katódokat és az elektródákat, ami a rendszer tolóhatásának visszafogását eredményezheti. Ezzel párhuzamosan a levegő összetétele és mennyisége a környezeti feltételek függvényében folyamatosan változik, így a hajtásnak meg kell birkóznia ezekkel a variabilitásokkal. E kihívások megoldására Romano az érintkezésmentes RF Helicon plazmahajtót választotta, amelyet egy optimalizált légáramlási rendszerrel kombinált.
Az innovatív megközelítés középpontjában egy olyan terápiás, érintkezésmentes plazmahajtó áll, amely nem igényel semlegesítőt a működéshez, és egy úgynevezett RF Helicon technológia. Ez a kombináció lehetővé teszi, hogy a levegő molekulái közvetlenül plazmává váljanak, majd a hajtó hátulján tolóerőt hozzanak létre, miközben a rendszer ellenálló marad a környezeti hatásokkal szemben.
Intake rendszer részletes vizsgálata
A beáramló levegő hatékony megszerzésére Romano három különböző koncepciót tesztelt. Az egyik az úgynevezett Enhanced Funnel Design volt, amely molekulákat ragad meg olyan módon, hogy messze szétötte részecskéket is összegyűjtsön. A másik megoldás a Diffuse Intake volt, amely egy kompakt hexagonális formát és bevonatolt Titanium ötvözetet használt. A harmadik pedig a Specular Intake volt, amely egy parabolikus tükröt és grafit vagy szilícium-dioxid bevonatot alkalmazott, hogy a részecskéket közvetlenül a motor felé verje.
A tesztek során a legígéretesebb a Specular Intake volt mind a gyűjtési hatékonyság, mind az irányítási érzékenység tekintetében. A kísérleti felületen a részecskék körülbelül 94,3%-át sikerült összegyűjteni, függetlenül attól, AO-tól vagy más gázoktól, és a 15°-os dőlésnél sem esett vissza jelentősen az eredmény.
A mérnöki tervezés következő lépéseként a speciális intake kialakítását a gyakorlatba ültették át, és a vizsgálatokból kiindulva a Specular Intake bizonyult a legjobb megoldásnak a gyűjtés és az irányítás szempontjából. A kísérleti eredmények meggyőzőek voltak, és ez adta a további fejlesztés alapját a rendszerhez.
A hajtás tervezése és a tesztelés
A hajtás tervezésénél Romano a MRIszalonokban használt Birdcage antennát alkalmazta, amely lehetővé tette, hogy a rendelkezésre álló elektromos energia nagy részét közvetlenül a hajtóműbe irányítsa. Egy körkörös solenoid által létrehozott mágneses mező mozgatja a plazmát, amely így egy kvázi semleges töltésű sugárként hagyja el a motort, és nem szükséges semlegesítő egység. Ez a megközelítés rendkívül magas hatékonyságot eredményezett: mintegy 99% of the delivered electrical power kerül a hajtóműbe, ami jelentősen csökkenti a veszteségeket és növeli a tolóerőt.
A tesztek során a rendszert vákuumkamrában vizsgálták, hogy mesterségesen szimulálják a VLEO légkör összetételét. A plazmafolyam stabil volt mindössze 50–60 W RF teljesítménnyel, ami elég alacsony energiafelhasználás a hagyományos űrtechnológiákhoz képest és megfelel a hagyományos napelemes rendszerek által biztosított teljesítményhez.
A kísérletek az alkalmazhatóságot is vizsgálták: a GOCE műhold modellje alapján a rendszer 190–250 km közötti magasságban képes lehet hosszú ideig működni kevesebb, mint 1,6 kW teljesítménnyel, ami a mai űrtechnológiához viszonyítva reális határ. Emellett a Mars környezetében, ahol az atmoszféra főleg CO2-ból áll, a koncepció a 120–160 km közötti magasságon képes lehetne hosszú időre működőképes lenni, ez pedig jelentősen közelebb lenne a bolygó légköréhez, mint a mai megoldások.
Lehetséges felhasználási kilátások és értékelés
Mindazonáltal nincs garancia arra, hogy ez a hajtás technológia valaha is a laboron kívüli missziókban megvalósul. Mindazonáltal a koncepció rendkívül izgalmas marad, hiszen potenciális kereskedelmi alkalmazások sokaságát kínálhatja, amennyiben a kockázatokat megfelelően lecsökkentik és a küldetések megvalósíthatóvá válnak.
Valószínű, hogy Romano jövőbeli lépéseiről nincs egyértelműen információ, de a kutatás egyértelműen megmutatta a koncepció potenciálját és a tervezési lehetőségeket. A mikro- és nanoűripar számos olyan területet lát, ahol az ABEP-hez hasonló megoldások újrapróbálásával hosszú távon fenntarthatóbb űrmissziók lehetségesek.
Összességében a megközelítés egy olyan út, amely a légkör jelenlétének kihasználását célozza meg üzemanyagként, és bár az áttörést illetően még sok a bizonytalanság, a tervezés és a kísérletek már most is érdekes alternatívát kínálnak a hagyományos hajtástechnológiák mellett.
© – F. Romano
Forrás: Universetoday.com
