Výzkumníkům Evropské kosmické agentury se – jako prvním na světě – podařilo sestrojit velmi speciální iontový motor. Určitě víte, že iontové motory jsou motory, které dokáží po velmi dlouhou dobu dodávat nízký tah a tím jsou ideální například k dlouhodobým úpravám dráhy. Využívají jednotlivých iontů, které se skrz trysku vysílají velkou rychlostí ven, čímž dosahují mimořádně příznivých hodnot takzvaného specifického impulsu. Výhodou je jejich enormně nízká spotřeba paliva. Běžně se pro pohon takového motoru, který může být aktivní až několik let, používá jen několik desítek kilogramů provozní látky. Nevýhodou je jejich vyšší elektrická spotřeba, kterou řeší dostatečně velké solární panely. V Evropě se nyní podařilo sestavit motor, který si provozní látku může brát z horních vrstev atmosféry! Tím má k dispozici v podstatě „nekonečnou“ zásobu pohonných látek a může dlouhodobě pracovat na velmi nízkých oběžných drahách!

Výše jsme si řekli, že podobné motory jsou vhodné pro dlouhodobé změny dráhy, které se dají využít například při dlouhodobých misích k jiným tělesům, kde má sonda dostatek času na změny své dráhy a může využít pomalého, ale extrémně ekonomicky výhodného iontového motoru. K čemu nám tedy je, že sonda může jako provozní látku využívat molekuly atmosféry planety?

Možná si vzpomenete na významnou evropskou misi GOCE. Družice po více jak čtyři roky operovala na velmi nízké kruhové oběžné dráze ve výšce pouhých 250 km. Družice byla velmi vzhledově netradiční, protože kvůli průletům tak nízko nad Zemí, měla mírně aerodynamický tvar a patří tak vzhledově k nejkrásnějším družicím vůbec. V takových výškách jsou pozůstatky atmosféry už tak významné, že mohly stabilizačně ovlivnit samotnou sondu. Na takto nízké oběžné dráze každopádně mohla GOCE zůstat jen díky iontovému motoru. Ten byl po celou dobu letu aktivní a dodával tah k tomu, aby se družice udržela na oběžné dráze a nezpomalovala se tím, jak se třela o vrchní vrstvy atmosféry. Životnost GOCE tak byla přímo ohraničena tím, po jak dlouhou dobu budou motoru stačit 40 kg těžké zásoby pohonných hmot (xenonu). A ty stačily na zmíněné více jak čtyři roky.

Výhodou nové koncepce motoru je také to, že může být použit i u jiných planet s atmosférou. Molekuly oxidu uhličitého mohou dodávat palivo pro tento motor na oběžné dráze Marsu. Využití sondy, která by létala tak nízko nad Rudou planetou jsou nasnadě. Dočkali bychom se perfektního mapování s vysokým rozlišením i širokého vědeckého programu, který potřebuje data s vyšším rozlišením, která může poskytnout jen mise na velmi nízké oběžné dráze.

Ale zpět k motoru. Nejde o nějaký teoretický koncept. V Sitael v Itálii proběhl v minulých dnech test, který přímo simuloval podmínky letu ve vysokých výškách atmosféry. Testovací exemplář nového motoru byl umístěn ve vakuové komoře, kde byly navozeny stejné podmínky, které vládnou v pozemské atmosféře ve výšce 200 km. V komoře byl i „generátor toku částic“, který ve vakuové komoře vysílal rychle letící molekuly, které pak sbíral samotný motor. Motor samotný neobsahuje žádné složité pohyblivé části. Vše je řízeno cívkami a elektrodami, které pasivním způsobem vytváří robustní systém kompenzace tahu.

Na návrhu a stavbě motoru se například podíleli i polští technici z QuinteScience, kteří navrhli pasivní sběrač okolo letících molekul, který zajišťuje nejen sběr molekul, ale také jejich správné nasměrování do další části motoru. Další část navrhli přímo v Sitael a jedná se o duální trysku, která usměrňuje a poskytuje výsledný tah. Duální proto, že dokáže pracovat jak se zásobami xenonu, tak dokáže obohacovat palivovou směs o zachycené molekuly vzduchu (dusík a kyslík).

Praktický test, při kterém ověřovali, zda koncept sběru molekul vzduchu, jejich stlačení a následné vystřelení v dostatečné síle z trysky motoru funguje, značně urychlil stavbu motoru. Počítačové simulace jsou jedna věc, ale mít možnost koncept ověřit v praxi, je neocenitelné. Motor zatím funguje tak, že využívá jak vnitřní zásoby xenonu, tak i přijímané molekuly vzduchu. To, že se test zdařil, zjistili technici okamžitě. Poté, co nastavili motor na přijímání okolních molekul vzduchu, změnila se klasická barva „spalin“ motoru z modré (xenon) na fialovou (kyslík a dusík). V té chvíli technici věděli, že vše funguje, jak má.

Motor byl pak mnohokrát vypnut a zapnut, stejně tak jako byly několikrát přenastaveny módy z práce motoru pouze na xenon, tak na obohacování směsi o okolní vzduch. „Tento výsledek znamená, že iontový motor pracující se vzduchem již není pouze teorií, nýbrž hmatatelnou, reálnou koncepcí, připravenou k rozvoji, která jednou může sloužit jako základ pro mise zcela nové kategorie.“ Řekl k výsledkům vedoucí projektu Louis Walpot z ESA.

Zdroje informací:
http://www.esa.int/

Zdroje obrázků:
http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2018/03/Thruster_with_xenon_propellant
http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2018/03/Thruster_with_air
http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2018/03/Thruster_inside_vacuum_chamber
http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2018/03/Air-breathing_electric_propulsion
http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2018/03/Test_set-up
http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2018/03/Air-breathing_ion_thruster
https://img.newatlas.com/goce-ends.jpg