Cuando se trata del futuro de la exploración espacial, uno de los mayores desafíos es encontrar motores que puedan maximizar el rendimiento y al mismo tiempo garantizar la eficiencia del combustible. Esto no solo reducirá el costo de las misiones individuales, sino que asegurará que las naves espaciales robóticas (e incluso las naves espaciales tripuladas) puedan operar durante largos períodos de tiempo en el espacio sin tener que repostar.
En los últimos años, este desafío ha llevado a algunos conceptos verdaderamente innovadores, uno de los cuales fue recientemente construido y probado por primera vez por un equipo de la ESA. Este concepto de motor consiste en un propulsor eléctrico que es capaz de "recoger" las escasas moléculas de aire de la parte superior de las atmósferas y usarlas como propulsores. Este desarrollo abrirá el camino para todo tipo de satélites que pueden operar en órbitas muy bajas alrededor de los planetas durante años a la vez.
El concepto de un propulsor de respiración de aire (también conocido como propulsión Ram-Electric) es relativamente simple. En resumen, el motor funciona con los mismos principios que un ramscoop (donde se recolecta hidrógeno interestelar para proporcionar combustible) y un motor de iones, donde las partículas recolectadas se cargan y expulsan. Tal motor eliminaría el propulsor a bordo al absorber moléculas atmosféricas a medida que pasaba por la parte superior de la atmósfera de un planeta.
El concepto fue el tema de un estudio titulado "Propulsión eléctrica RAM para operación en órbita terrestre baja: un estudio de la ESA", que se presentó en la 30ª Conferencia Internacional de Propulsión Eléctrica en 2007. El estudio enfatizó cómo "los satélites en órbita terrestre baja están sujetos a la atmósfera arrastre y, por lo tanto, sus vidas están limitadas con las tecnologías de propulsión actuales por la cantidad de propulsor que pueden llevar para compensarlo ”.
Los autores del estudio también indicaron cómo los satélites que utilizan propulsión eléctrica de alto impulso específico serían capaces de compensar el arrastre durante la operación a baja altitud durante un período prolongado de tiempo. Pero a medida que concluyen, dicha misión también se limitaría a la cantidad de combustible que podría transportar. Este fue ciertamente el caso del campo de gravedad de la ESA y el satélite de mapeo gravitatorio del Explorador de circulación oceánica (GOCE) en estado estable,
Mientras que GOCE permaneció en la órbita de la Tierra durante más de cuatro años y funcionó a altitudes tan bajas como 250 km (155 millas), su misión finalizó en el momento en que agotó su suministro de 40 kg (88 lbs) de xenón como propulsor. Como tal, también se ha investigado el concepto de un sistema de propulsión eléctrica que utiliza moléculas atmosféricas como propulsor. Como explicó el Dr. Louis Walpot de la ESA en un comunicado de prensa de la ESA:
"Este proyecto comenzó con un diseño novedoso para recoger moléculas de aire como propulsor desde la parte superior de la atmósfera de la Tierra a unos 200 km de altitud con una velocidad típica de 7,8 km / s".
Para desarrollar este concepto, la compañía aeroespacial italiana Sitael y la compañía aeroespacial polaca QuinteScience se unieron para crear un nuevo diseño de admisión y propulsor. Mientras que QuinteScience construyó una entrada que recolectaría y comprimiría las partículas atmosféricas entrantes, Sitael desarrolló un propulsor de doble etapa que cargaría y aceleraría estas partículas para generar empuje.
Luego, el equipo realizó simulaciones por computadora para ver cómo se comportarían las partículas en una variedad de opciones de admisión. Pero al final, eligieron realizar una prueba de práctica para ver si la ingesta y el propulsor combinados funcionarían juntos o no. Para hacer esto, el equipo lo probó en una cámara de vacío en una de las instalaciones de prueba de Sitael. La cámara simuló un entorno a 200 km de altitud, mientras que un "generador de flujo de partículas" proporcionó las moléculas de alta velocidad que se aproximaban.
Para proporcionar una prueba más completa y asegurarse de que el propulsor funcionaría en un entorno de baja presión, el equipo comenzó encendiéndolo con propelente de xenón. Walpot explicó:
“En lugar de simplemente medir la densidad resultante en el colector para verificar el diseño de admisión, decidimos conectar un propulsor eléctrico. De esta manera, demostramos que de hecho podíamos recolectar y comprimir las moléculas de aire a un nivel en el que podría producirse la ignición del propulsor, y medir el empuje real. Al principio comprobamos que nuestro propulsor podía encenderse repetidamente con el xenón recogido del generador de haz de partículas ".
Como siguiente paso, el equipo reemplaza parcialmente el xenón con una mezcla de aire nitrógeno-oxígeno para simular la atmósfera superior de la Tierra. Como se esperaba, el motor siguió disparando, y lo único que cambió fue el color del empuje.
"Cuando el color azul de la pluma del motor a base de xenón cambió a púrpura, supimos que habíamos tenido éxito", dijo el Dr. Walpot. "El sistema finalmente se encendió repetidamente únicamente con propelente atmosférico para demostrar la viabilidad del concepto. Este resultado significa que la propulsión eléctrica que respira aire ya no es simplemente una teoría, sino un concepto tangible y funcional, listo para ser desarrollado, para servir un día como la base de una nueva clase de misiones ".
El desarrollo de propulsores eléctricos que respiran aire podría permitir una clase completamente nueva de satélites que podrían operar con las franjas de las atmósferas de Marte, Titán y otros cuerpos durante años a la vez. Con este tipo de vida útil operativa, estos satélites podrían recopilar volúmenes de datos sobre las condiciones meteorológicas de estos cuerpos, los cambios estacionales y la historia de sus climas.
Tales satélites también serían muy útiles cuando se trata de observar la Tierra. Dado que podrían operar a altitudes más bajas que las misiones anteriores, y no estarían limitados por la cantidad de propulsores que pudieran transportar, los satélites equipados con propulsores de respiración de aire podrían operar durante períodos prolongados de tiempo. Como resultado, podrían ofrecer análisis más detallados sobre el cambio climático y monitorear más de cerca los patrones meteorológicos, los cambios geológicos y los desastres naturales.
