Ketika datang ke masa depan eksplorasi ruang angkasa, salah satu tantangan terbesar adalah datang dengan mesin yang dapat memaksimalkan kinerja sambil juga memastikan efisiensi bahan bakar. Ini tidak hanya akan mengurangi biaya misi individu, itu akan memastikan bahwa pesawat ruang angkasa robot (dan bahkan pesawat ruang angkasa berawak) dapat beroperasi untuk jangka waktu yang lama di ruang angkasa tanpa harus mengisi bahan bakar.
Dalam beberapa tahun terakhir, tantangan ini telah mengarah pada beberapa konsep yang benar-benar inovatif, salah satunya baru-baru ini dibangun dan diuji untuk pertama kalinya oleh tim ESA. Konsep mesin ini terdiri dari pendorong listrik yang mampu "meraup" molekul udara langka dari puncak atmosfer dan menggunakannya sebagai propelan. Pengembangan ini akan membuka jalan bagi semua jenis satelit yang dapat beroperasi dalam orbit yang sangat rendah di sekitar planet selama bertahun-tahun.
Konsep thruster pernapasan udara (alias. Ram-Electric Propulsion) relatif sederhana. Singkatnya, mesin bekerja dengan prinsip yang sama seperti ramscoop (di mana hidrogen antarbintang dikumpulkan untuk menyediakan bahan bakar) dan mesin ion - di mana partikel yang dikumpulkan diisi dan dikeluarkan. Mesin seperti itu akan menghilangkan propelan di dalam pesawat dengan mengambil molekul atmosfer ketika melewati bagian atas atmosfer planet.
Konsep ini menjadi subjek penelitian yang berjudul "Propulsi Listrik RAM untuk Operasi Orbit Bumi Rendah: Sebuah Studi ESA", yang dipresentasikan pada Konferensi Propulsi Listrik Internasional ke-30 pada tahun 2007. Studi ini menekankan bagaimana "Satelit orbit rendah Bumi tunduk pada atmosfer." tarik dan dengan demikian masa hidup mereka dibatasi dengan teknologi propulsi saat ini dengan jumlah propelan yang dapat mereka bawa untuk mengimbanginya. ”
Penulis studi juga menunjukkan bagaimana satelit yang menggunakan tenaga listrik impuls spesifik tinggi akan mampu mengkompensasi gaya hambat selama operasi ketinggian rendah untuk periode waktu yang lama. Tetapi ketika mereka menyimpulkan, misi semacam itu juga akan terbatas pada jumlah bahan bakar yang bisa diangkutnya. Ini tentu saja merupakan kasus untuk medan Gravitasi ESA dan satelit pemantau gravitasi Ocean Circulation Explorer (GOCE) yang mapan,
Sementara GOCE tetap berada di orbit Bumi selama lebih dari empat tahun dan beroperasi di ketinggian serendah 250 km (155 mil), misinya berakhir saat ia kehabisan pasokan xenon 40 kg (88 lb) sebagai propelan. Dengan demikian, konsep sistem propulsi listrik yang memanfaatkan molekul atmosfer sebagai propelan juga telah diselidiki. Louis Walpot dari ESA menjelaskan dalam siaran pers ESA:
"Proyek ini dimulai dengan desain baru untuk mengambil molekul udara sebagai propelan dari puncak atmosfer Bumi di ketinggian sekitar 200 km dengan kecepatan khas 7,8 km / s."
Untuk mengembangkan konsep ini, perusahaan aerospace Italia Sitael dan perusahaan aerospace Polandia QuinteScience bekerja sama untuk membuat desain intake dan thruster baru. Sedangkan QuinteScience membangun asupan yang akan mengumpulkan dan mengompresi partikel atmosfer yang masuk, Sitael mengembangkan pendorong dua tahap yang akan mengisi dan mempercepat partikel-partikel ini untuk menghasilkan daya dorong.
Tim kemudian menjalankan simulasi komputer untuk melihat bagaimana partikel akan berperilaku di berbagai pilihan asupan. Tetapi pada akhirnya, mereka memilih untuk melakukan tes praktek untuk melihat apakah asupan dan pendorong gabungan akan bekerja bersama atau tidak. Untuk melakukan ini, tim mengujinya di ruang vakum di salah satu fasilitas pengujian Sitael. Ruangan itu mensimulasikan lingkungan pada ketinggian 200 km sementara "generator aliran partikel" memberikan molekul kecepatan tinggi yang akan datang.
Untuk memberikan tes yang lebih lengkap dan memastikan thruster akan berfungsi dalam lingkungan bertekanan rendah, tim memulai dengan menyalakannya dengan propelan xenon. Walpot menjelaskan:
“Daripada hanya mengukur kepadatan yang dihasilkan di kolektor untuk memeriksa desain asupan, kami memutuskan untuk memasang pendorong listrik. Dengan cara ini, kami membuktikan bahwa kami memang bisa mengumpulkan dan mengompres molekul udara ke tingkat di mana pengapian thruster dapat terjadi, dan mengukur daya dorong yang sebenarnya. Awalnya kami memeriksa thruster kami bisa dinyalakan berulang kali dengan xenon dikumpulkan dari generator partikel partikel. ”
Sebagai langkah selanjutnya, tim ini mengganti xenon dengan campuran udara nitrogen-oksigen untuk mensimulasikan atmosfer bagian atas Bumi. Seperti yang diharapkan, mesin terus menyala, dan satu-satunya yang berubah adalah warna dorongan.
"Ketika warna biru berbasis xenon dari bulu-bulu mesin berubah menjadi ungu, kami tahu kami berhasil," kata Dr. Walpot. “Sistem itu akhirnya dinyalakan berulang kali hanya dengan propelan atmosfer untuk membuktikan kelayakan konsep tersebut. Hasil ini berarti tenaga listrik yang menghirup udara bukan lagi sekadar teori tetapi konsep yang nyata dan bekerja, siap untuk dikembangkan, untuk melayani suatu hari nanti sebagai dasar kelas misi baru. ”
Pengembangan pendorong listrik bernafas udara dapat memungkinkan untuk kelas satelit yang sama sekali baru yang dapat beroperasi dengan pinggiran Mars, atmosfer Titan dan benda-benda lainnya selama bertahun-tahun pada suatu waktu. Dengan masa operasional seperti ini, satelit-satelit ini dapat mengumpulkan volume data tentang kondisi meteorologi tubuh-tubuh ini, perubahan musim, dan sejarah iklim mereka.
Satelit seperti itu juga akan sangat berguna dalam mengamati Bumi. Karena mereka akan dapat beroperasi di ketinggian lebih rendah dari misi sebelumnya, dan tidak akan dibatasi oleh jumlah propelan yang dapat mereka bawa, satelit yang dilengkapi dengan pendorong udara dapat beroperasi untuk jangka waktu yang lama. Sebagai hasilnya, mereka dapat menawarkan analisis yang lebih mendalam tentang Perubahan Iklim, dan memantau pola meteorologi, perubahan geologis, dan bencana alam lebih dekat.
