عندما يتعلق الأمر بمستقبل استكشاف الفضاء ، فإن أحد أكبر التحديات هو الخروج بمحركات يمكنها زيادة الأداء إلى أقصى حد مع ضمان كفاءة الوقود أيضًا. لن يقلل هذا من تكلفة المهام الفردية فحسب ، بل سيضمن أن المركبات الفضائية الآلية (وحتى المركبات الفضائية ذات الطاقم) يمكن أن تعمل لفترات طويلة في الفضاء دون الحاجة إلى التزود بالوقود.
في السنوات الأخيرة ، أدى هذا التحدي إلى بعض المفاهيم المبتكرة حقًا ، أحدها تم بناؤه واختباره مؤخرًا لأول مرة من قبل فريق وكالة الفضاء الأوروبية. يتكون مفهوم المحرك هذا من محرك كهربائي قادر على "تجريف" جزيئات الهواء النادرة من قمم الغلاف الجوي واستخدامها كقوة دافعة. سيفتح هذا التطور الطريق لجميع أنواع الأقمار الصناعية التي يمكن أن تعمل في مدارات منخفضة جدًا حول الكواكب لسنوات في المرة الواحدة.
إن مفهوم دافع تنفس الهواء (المعروف أيضًا باسم الدفع بالكهرباء) بسيط نسبيًا. باختصار ، يعمل المحرك على نفس المبادئ مثل ramscoop (حيث يتم جمع الهيدروجين بين النجوم لتوفير الوقود) ومحرك أيوني - حيث يتم شحن الجزيئات المجمعة وإخراجها. مثل هذا المحرك سوف يتخلص من الوقود الدافع على متنه عن طريق استيعاب جزيئات الغلاف الجوي أثناء مروره عبر الجزء العلوي من الغلاف الجوي للكوكب.
كان المفهوم موضوع دراسة بعنوان "الدفع الكهربائي RAM لتشغيل المدار الأرضي المنخفض: دراسة وكالة الفضاء الأوروبية" ، والتي تم تقديمها في المؤتمر الدولي الثلاثين للدفع الكهربائي في عام 2007. وأكدت الدراسة كيف أن السواتل ذات المدار الأرضي المنخفض تخضع للغلاف الجوي وبالتالي ، فإن حياتهم محدودة مع تقنيات الدفع الحالية بمقدار الوقود الدافع الذي يمكنهم حمله للتعويض عنه. "
أشار مؤلفو الدراسة أيضًا إلى كيفية قدرة الأقمار الصناعية التي تستخدم الدفع الكهربائي عالي الدقة على تعويض السحب أثناء تشغيل على ارتفاعات منخفضة لفترة طويلة من الزمن. ولكن كما خلصوا ، فإن مثل هذه المهمة ستقتصر أيضًا على كمية الوقود التي يمكن أن تحملها. كان هذا هو الحال بالتأكيد بالنسبة لحقل الجاذبية التابع لوكالة الفضاء الأوروبية والقمر الصناعي لرسم خرائط المحيطات (GOCE) ،
بينما بقيت GOCE في مدار الأرض لأكثر من أربع سنوات وعملت على ارتفاعات منخفضة تصل إلى 250 كم (155 ميل) ، أنهت مهمتها لحظة استنفاد إمدادها من زينون 40 كجم (88 رطلاً) كوقود. على هذا النحو ، تم أيضًا بحث مفهوم نظام الدفع الكهربائي الذي يستخدم جزيئات الغلاف الجوي كطاقة دافعة. كما أوضح الدكتور لويس والبوت من وكالة الفضاء الأوروبية في بيان صحفي لوكالة الفضاء الأوروبية:
"بدأ هذا المشروع بتصميم جديد لتجميع جزيئات الهواء كوقود دافع من أعلى الغلاف الجوي للأرض على ارتفاع 200 كم بسرعة نموذجية تبلغ 7.8 كم / ثانية."
ولتطوير هذا المفهوم ، تعاونت شركة الفضاء الإيطالية Sitael وشركة الفضاء البولندية QuinteScience لإنشاء مدخول جديد وتصميم قوي. في حين بنى QuinteScience مدخلاً من شأنه جمع وضغط جزيئات الغلاف الجوي الواردة ، طورت Sitael محركًا ثنائي المرحلة يقوم بشحن وتسريع هذه الجسيمات لتوليد الدفع.
ثم أجرى الفريق عمليات محاكاة للكمبيوتر لمعرفة كيف ستتصرف الجسيمات عبر مجموعة من خيارات السحب. لكن في النهاية ، اختاروا إجراء اختبار تدريبي لمعرفة ما إذا كان المدخول المشترك والدافع سيعملان معًا أم لا. للقيام بذلك ، اختبره الفريق في غرفة فراغية في أحد مرافق اختبار Sitael. قامت الغرفة بمحاكاة بيئة على ارتفاع 200 كم في حين قدم "مولد تدفق الجسيمات" الجزيئات عالية السرعة القادمة.
لتقديم اختبار أكثر اكتمالًا والتأكد من أن الدافع سيعمل في بيئة منخفضة الضغط ، بدأ الفريق بإشعاله باستخدام دافع زينون. وأوضح والبوت:
"بدلاً من قياس الكثافة الناتجة في المجمع للتحقق من تصميم السحب ، قررنا إرفاق جهاز دفع كهربائي. وبهذه الطريقة ، أثبتنا أنه يمكننا بالفعل جمع جزيئات الهواء وضغطها إلى مستوى يمكن أن يحدث فيه الاشتعال ، وقياس الاتجاه الفعلي. في البداية ، تحققنا من أنه يمكن إشعال محركنا بشكل متكرر مع الزينون الذي تم جمعه من مولد شعاع الجسيمات.
كخطوة تالية ، استبدل الفريق جزئيًا الزينون بمزيج هواء من النيتروجين والأكسجين لمحاكاة الغلاف الجوي العلوي للأرض. كما هو متوقع ، استمر المحرك في إطلاق النار ، والشيء الوحيد الذي تغير هو لون الدفع.
قال الدكتور Walpot: "عندما تغير لون عمود المحرك الأزرق القائم على الزينون إلى اللون الأرجواني ، كنا نعلم أننا سننجح". "تم إشعال النظام أخيرًا بشكل متكرر فقط مع دافع جوي لإثبات جدوى هذا المفهوم. هذه النتيجة تعني أن الدفع الكهربائي الذي يتنفس الهواء لم يعد مجرد نظرية بل هو مفهوم عملي ملموس ، جاهز للتطوير ، ليخدم يومًا ما كأساس لفئة جديدة من المهام. "
يمكن أن يسمح تطوير الدفعات الكهربائية التي تتنفس الهواء بفئة جديدة تمامًا من الأقمار الصناعية يمكن أن تعمل مع أطراف أجواء المريخ وتيتان والأجسام الأخرى لسنوات في كل مرة. مع هذا النوع من العمر التشغيلي ، يمكن لهذه الأقمار الصناعية جمع كميات من البيانات حول ظروف الأرصاد الجوية لهذه الأجسام ، والتغيرات الموسمية ، وتاريخ مناخاتها.
مثل هذه الأقمار الصناعية ستكون مفيدة للغاية عندما يتعلق الأمر برصد الأرض. نظرًا لأنها ستكون قادرة على العمل على ارتفاعات أقل من المهام السابقة ، ولن تكون محدودة بكمية الوقود الدافع التي يمكن أن تحملها ، فإن الأقمار الصناعية المزودة بمحركات تنفس الهواء يمكن أن تعمل لفترات طويلة من الزمن. ونتيجة لذلك ، يمكنهم تقديم المزيد من التحليلات المتعمقة حول تغير المناخ ، ومراقبة أنماط الأرصاد الجوية ، والتغيرات الجيولوجية ، والكوارث الطبيعية عن كثب.
