Создан новый плазменный двигатель, работающий на атмосферном газе

Исследователь из Штутгартского университета Франческо Романо разработал экспериментальный плазменный двигатель, способный использовать разреженную атмосферу Земли в качестве рабочего тела. Как сообщает иксбт.ком, эта технология в будущем позволит спутникам годами работать на сверхнизких орбитах без запаса ксенона. Об этом сообщает Иксбт.ком.

Данная разработка относится к классу Атмосфере-Бреатинг Электрик Пропулсион (АБЭП), принцип действия которой основан на сборе молекул и атомов из верхних слоев атмосферы во время полета спутника и их последующей ионизации. Полученная плазма ускоряется с помощью электромагнитного поля, создавая реактивную тягу.

Преимущества новой технологии

Такие двигательные системы представляют особый интерес для сверхнизких околоземных орбит (ВЛЭО) высотой 100–450 км. Чем ближе спутник к Земле, тем более детальные снимки он может получать, а радиолокационные и коммуникационные системы требуют меньше мощности. Кроме того, после завершения миссии аппарат быстрее сходит с орбиты, что снижает количество космического мусора.

Однако главной проблемой орбит ВЛЭО является сопротивление остаточной атмосферы. Даже на таких высотах спутники постепенно тормозятся и вынуждены тратить рабочее тело, чтобы постоянно компенсировать потерю скорости. Новое устройство предлагает использовать именно этот разреженный газ, создающий аэродинамическое сопротивление, в качестве рабочего тела.

Технические сложности и решения

Самым сложным препятствием оказался атомарный кислород — крайне активный компонент верхних слоев атмосферы, так как он способен разрушать электроды, катоды и другие элементы традиционных плазменных двигателей. Чтобы решить эту проблему, Романо создал бесконтактный радиочастотный геликоновый двигатель без внешнего нейтрализатора. Магнитное поле формирует поток квазинейтральной плазмы, что позволяет отказаться от одного из самых уязвимых элементов.

В рамках проекта особое внимание было уделено созданию системы забора воздуха. Из трех протестированных вариантов наиболее эффективной была признана конструкция с отражающей параболической поверхностью. В ходе экспериментов она улавливала около 94,3% поступающих частиц атомарного кислорода, азота и аргона.

Для создания плазмы используется «бирдкаге-антенна», дизайн которой вдохновлен антеннами для медицинских МРТ. Испытания показали, что до 99% передаваемой высокочастотной мощности поступало в область генерации плазмы двигателя.

В вакуумной камере устройство стабильно генерировало плазму при мощности всего 50–60 В. Ученые смоделировали состав и концентрацию газов, характерных для верхних слоев атмосферы Земли. Расчеты показывают, что полноценный спутник, оснащенный таким двигателем, сможет удерживать орбиту на высоте 190–250 км, используя менее 1,6 кВ электроэнергии, которую могут обеспечить солнечные панели.