Традиционные спутники на низких околоземных орбитах сталкиваются с проблемой: остатки атмосферы создают сопротивление и постепенно снижают высоту аппаратов, а для компенсации этого требуется расходовать топливо на борту или рабочее тело в виде ксенона или криптона. Исчерпание запасов горючего завершает миссию спутников, и они сгорают в атмосфере. Но работу можно продлить за счёт сбора атмосферных газов и в Европе такой проект уже воплощают в жизнь.
Источник изображения: ESA
Решить эту проблему полностью или частично обещает новая система воздушного «дышащего» электрического двигателя (Air-Breathing Electric Propulsion, ABEP). Система собирает разреженные частицы земной атмосферы прямо в полёте и использует их в качестве рабочего тела для создания тяги. Благодаря этому спутники могут работать практически без собственного топлива на борту, что открывает возможности для длительных миссий на сверхнизких орбитах VLEO (180–250 км), которые обычно трудны в освоении и эксплуатации.
Принцип работы системы ABEP основан на трёх главных этапах. Специальный воздухозаборник захватывает остаточные молекулы азота и кислорода, которые присутствуют в крайне разреженной атмосфере на высоте орбиты. Далее газы ионизируются, превращаясь в плазму, а затем ускоряются электрическим и магнитным полями в двигателе, создавая реактивную тягу, компенсирующую торможение об атмосферу. Энергия для всего процесса поступает от солнечных батарей спутника, а рабочее тело берётся из окружающего воздуха.
Среди главных и очевидных преимуществ новой технологии — практически неограниченный срок службы спутника (пока сохраняется атмосфера и доступ к солнечной энергии). Отпадает необходимость в запасах топлива на борту аппаратов, что снижает взлётную массу, стоимость миссии и позволяет создавать более плотные и устойчивые спутниковые созвездия (например, аналоги Starlink на более низких орбитах). Дополнительные плюсы (за счёт снижения высоты орбиты) включают улучшенное разрешение для наблюдения Земли, меньшую задержку связи и быстрый и естественный сход с орбиты при отказе, что уменьшает объём космического мусора.
Проект реализуется европейской компанией IQM при поддержке Европейского космического агентства (ESA) и участии TransMIT GmbH. Недавно система успешно прошла стадию критического обзора проекта, подтвердив свою техническую осуществимость. В настоящее время ведётся сборка прототипа, который вскоре будет испытываться в вакуумных камерах, имитирующих условия сверхнизкой орбиты. Если технология подтвердит свою работоспособность, она откроет новую эпоху спутников, способных «дышать» атмосферой Земли и превращать её в бесконечный источник тяги, радикально меняя подход к орбитальным операциям и устойчивому освоению космоса.
Ключевым прорывом в разработке новой системы ABEP стала бескатодная конструкция двигателя, которая устраняет проблемы с работой элементов двигателя в агрессивной кислородной среде и значительно повышает надёжность системы (увы, нейтральных газов там нет). Разработчики ставят цель достичь электрической эффективности системы не менее 50 % и удельного импульса не менее 4200 секунд.