Újfajta ionhajtómű
(Rovat: Új eszközök és anyagok, Különös találmányok - 2018.04.11 07:15.)

Egy, az ESA vezetésével működő csoport a világon elsőként olyan elektromos műholdhajtóművet épített és működtetett, amelyik a felsőlégkör levegőmolekuláit használja fel.

Az ESA vezetésével olyan elektromos műholdhajtóművet fejlesztettek, amelyik a felsőlégkör levegőmolekuláit használja üzemanyagként, így a műholdak évekig keringhetnek nagyon alacsony Föld körüli pályán. A hajtómű képen látható példányát olyan vákuumban próbálták ki, amelyben a levegő sűrűsége megfelelt a Föld felszíne fölött 200 km magasban mérhetőnek. (Kép: ESA / Sitael)

A fejlesztés megnyithatja az utat a Föld körül nagyon alacsony pályán akár évekig keringeni képes műholdak előtt. Hajtóművek nélkül ez nem lehetséges, a nagyon alacsony pályán a légköri közegellenállás lefékezi a műholdakat, és azok a légkörbe lépve megsemmisülnek. Az ESA műholdjai közül szokatlanul alacsony pályán – 250 km magasan – keringett a bolygónk gravitációs terét feltérképező GOCE műhold, de ez csak úgy volt lehetséges, hogy a műhold ionhajtóművei folyamatosan kompenzálták a légköri közegellenállás fékező hatását. Miután a 40 kg xenon üzemanyag elfogyott, a küldetés véget ért.

Levegőt beszívó hajtóművel felszerelt műhold fantáziaképe. (Kép: ESA)

A kísérleti hajtómű tesztpéldánya. A ritka levegő az eszköz jobb oldalán áramlik be, a molekulákat összegyűjtik, és a gázt sűrítik. A molekulákat ionizálják, így gyorsíthatóvá válnak, miáltal tolóerő keletkezik. A berendezésben nincsenek szelepek vagy más, bonyolult, mozgó alkatrészek, csak tekercsek és elektródák. (Kép: ESA / Sitael)

Új utat nyithat az alacsony Föld körüli pálya hasznosításában, ha a pályakorrekciókhoz a véges mennyiségű, a műholdon magával vitt üzemanyag helyett a keringési magasságban már nagyon ritka légkörből kinyert molekulákat hasznosíthatják. A beszívott gáznak nem feltétlenül kell levegőnek lennie, így a hajtómű más bolygók légkörének ritka, felső rétegében is használható.

A ritka felsőlégkört alkotó molekulák az újszerű kialakítású beömlőnyíláson keresztül kerülnek a berendezésbe. A gázt összenyomva termikus, ionizált plazmát állítanak elő, amelyet elektromos térrel gyorsítanak. A kiáramló plazma hozza létre a tolóerőt. (Kép: ESA / A. Di Giacomo)

A fejlesztőknek az volt a feladata, hogy a 200 km körüli magasságban, a Föld nagyon ritka felsőlégköréből begyűjtött, és hajtóanyagként használandó levegőmolekulákat jellemzően 7,8 km/s körüli sebességre gyorsítsák. A kísérleti berendezést az olaszországi Sitael cég építette és próbálta ki az üzem vákuumkamrájában, ahol a levegő 200 km magasságban mérhető sűrűségét szimulálták. A berendezés csak passzív elemeket tartalmaz, nincsenek benne szelepek vagy más, bonyolult alkatrészek. A különlegesen robusztus felépítésű „részecskeáramú generátorban” tekercsekkel és elektródákkal ionizálják és gyorsítják a molekulákat.

A hajtómű a Sitael vákuumkamrájában. A Hall-effektus alapján működő fúvóka az előtérben látható, mögötte az a részecskegenerátor helyezkedik el, amelyikkel a pálya menti sebességgel áramló levegőt szimulálták. (Kép: ESA)

A legnagyobb kihívást annak a beömlőnyílásnak a megtervezése jelentette, amelyik az eszköz belsejébe juttatja a levegőmolekulákat, ahelyett, hogy azok egyszerűen visszapattannának az eszközről. A beömlőrendszert a lengyel QuinteScience cég tervezte. A Sitael készítette a kétlépcsős hajtóművet, amellyel hatékonyabban adható elektromos töltés a beáramló levegőmolekuláknak, és a molekulák jobban gyorsíthatók. Első lépésben a kísérleti rendszert xenonnal működtették, majd fokozatosan áttértek a levegő összetételét utánzó nitrogén–oxigén keverékre. Végül már tisztán levegővel működött az új típusú ionhajtómű, ezzel igazolták működőképességét.

A levegőt beszívó hajtóművet először a hagyományos xenon üzemanyaggal próbálták ki, itt a kiáramló ionizált gáz kékes színű. A xenont fokozatosan a levegőt utánzó nitrogén–oxigén keverékkel helyettesítették. A sikeres működést az jelezte, hogy a gázcsóva színe kékről lilás rózsaszínre változott. (Kép: ESA / Sitael)

A levegőmolekulákkal működő ionhajtóműből kiáramló gáz lilás rózsaszínű. (Kép: ESA / Sitael)

A kísérleti hajtóművet az ESA technológiai kutatási programja (TRP) keretében fejlesztették, az ESA földmegfigyelési programja támogatásával.