Исследователь из Университета Штутгарта предложил двигатель для спутников, который использует в качестве топлива разреженные атмосферные газы. Концепция предназначена для полётов на очень низких околоземных орбитах высотой примерно от 100 до 450 км. Результаты лабораторных испытаний и моделирования выглядят многообещающе, однако работа системы в реальной космической миссии пока не подтверждена.
На таких орбитах спутники получают преимущества: камеры дистанционного зондирования формируют более детальные изображения, а радиолокационным и коммуникационным системам требуется меньше энергии. Кроме того, атмосферное сопротивление помогает неработающим аппаратам естественным образом сходить с орбиты. Но действующие спутники из-за этого сопротивления постоянно теряют скорость и нуждаются почти в непрерывной тяге, которую обычно обеспечивают запасённые на борту газы, включая дорогой ксенон.
Франческо Романо разработал систему, относящуюся к классу атмосферно-дыхательной электрической тяги. Она захватывает молекулы разреженного воздуха перед аппаратом, превращает их в плазму и выбрасывает назад, создавая тягу. Такой подход потенциально позволяет спутнику поддерживать орбиту без традиционного запаса рабочего тела. Исследование Романо опубликовано на сервере препринтов arXiv.
Одной из главных проблем для подобной техники становится атомарный кислород. Ультрафиолетовое излучение расщепляет молекулы O2 в верхних слоях атмосферы, а образовавшийся атомарный кислород активно окисляет металлы, электроды, ускоряющие сетки и катоды ионных двигателей. Повреждение катода особенно критично, поскольку он нейтрализует заряд аппарата; без этого ионная система тяги перестаёт работать. Дополнительные сложности создают изменения плотности атмосферы, зависящие от времени суток, широты и солнечной активности.
Для захвата газа исследователь сравнил три конструкции воздухозаборника. «Усиленная воронка» должна была удерживать частицы, которые в разреженной среде почти не сталкиваются друг с другом, диффузионный вариант получил компактную шестиугольную форму из покрытого сплава титана, а зеркальный представлял собой параболическую поверхность с покрытием из графита или диоксида кремния. Лучшим оказался зеркальный вариант: в испытаниях он собирал около 94,3% частиц атомарного кислорода, аргона или азота, а при наклоне на 15 градусов его эффективность снижалась лишь на 8%.
Сам двигатель получил бесконтактную конструкцию без нейтрализатора и радиочастотную геликонную плазму. Антенна в форме «птичьей клетки», подобная применяемым в магнитно-резонансных томографах, направляла в двигатель 99% подведённой электрической мощности, тогда как обычные проволочные катушки теряли часть энергии из-за реактивного сопротивления. Испытания в вакуумной камере, имитировавшие концентрации трёх основных газов на очень низкой орбите, показали устойчивый плазменный поток при мощности радиочастотного питания 50–60 Вт. Моделирование для спутника GOCE показало, что система могла бы работать без ограничения по времени на высотах 190–250 км при мощности менее 1,6 кВт, а над Марсом — на высотах 120–160 км, используя атмосферу, состоящую преимущественно из углекислого газа. При этом применение двигателя за пределами лаборатории пока не гарантировано.