ويمكن استنشاق محرك القمر الصناعي الجديد "الذي يعمل بالهواء" مباشرة في الغلاف الجوي للأرض كوقود، وقد يظل في المدار إلى أجل غير مسمى في المستقبل.

الملخص:

يجذب محرك القمر الصناعي الجديد الذي يمكنه استخدام الغلاف الجوي العلوي للأرض بشكل مباشر كوقود دافع اهتمام صناعة الطيران. ويعتقد الباحثون أنه إذا تم إثبات التكنولوجيا ذات الصلة أخيرًا في الفضاء، فمن المتوقع أن تعمل الأقمار الصناعية المستقبلية في مدار أرضي منخفض للغاية لفترة طويلة أو حتى إلى أجل غير مسمى دون حمل وقود الدفع التقليدي.

يأتي هذا المفهوم من رسالة الدكتوراه التي قدمها فرانشيسكو رومانو، الباحث في جامعة شتوتغارت في ألمانيا. الفكرة الأساسية هي تحويل جزيئات الغلاف الجوي التي أبطأت القمر الصناعي في الأصل إلى وقود لنظام الدفع، وبالتالي تحويل العوامل التي تعيق عمل القمر الصناعي إلى مصدر الطاقة اللازمة للحفاظ على المدار.

في منطقة المدار الأرضي المنخفض للغاية، والتي تبعد حوالي 100 كيلومتر إلى 450 كيلومترًا عن الأرض، يمكن للأقمار الصناعية الحصول على العديد من المزايا الفريدة. نظرًا لكونها أقرب إلى الأرض، يمكن لمعدات الاستشعار عن بعد التقاط صور أكثر وضوحًا، وتتطلب أنظمة الاتصالات والرادار طاقة أقل بكثير. وفي الوقت نفسه، يمكن لمقاومة الغلاف الجوي في هذه المنطقة أيضًا أن تسحب القمر الصناعي بشكل طبيعي إلى الغلاف الجوي وتحرقه بعد التخلص منه، وبالتالي تقليل مشكلة تراكم الحطام الفضائي على المدى الطويل.

ومع ذلك، فإن هذه المزايا لها عيوب خطيرة.

حتى على ارتفاع مئات الكيلومترات، سيستمر الغلاف الجوي المتبقي في إبطاء حركة الأقمار الصناعية. إذا لم يتم تجديد قوة الدفع بشكل مستمر، فسوف ينخفض ​​الارتفاع المداري للقمر الصناعي تدريجيًا ويسقط في النهاية في الغلاف الجوي. ولذلك فإن الأقمار الصناعية التي تعمل حاليا في مدارات منخفضة تعتمد عادة على أنظمة الدفع الموجودة على متنها لإجراء تصحيحات منتظمة للمدار، ويجب أن تحمل أنظمة الدفع هذه احتياطيات محدودة من الوقود.

تستخدم أنظمة الدفع الكهربائية التقليدية في الغالب وقودًا دافعًا باهظ الثمن مثل الزينون. بعد استنفاد الوقود، عادة ما تنتهي مدة مهمة القمر الصناعي، بغض النظر عما إذا كان القمر الصناعي نفسه لا يزال سليما.

الحل الذي اقترحه رومانو ينتمي إلى "نظام الدفع الكهربائي للتنفس الجوي". على عكس الطرق التقليدية، يقوم هذا النظام بجمع الغلاف الجوي الرقيق القادم مباشرة أثناء الطيران، وإدخال جزيئات الغاز إلى المحرك، ثم يستخدم مجالًا كهربائيًا لتحويل هذه الجزيئات إلى بلازما، والتي يتم بعد ذلك طردها للخلف لتوليد الدفع.

من الناحية النظرية، طالما أن القمر الصناعي لا يزال على ارتفاع مداري مع وجود غاز متبقي، فيمكنه الاستمرار في الحصول على مصدر للوقود دون الحاجة إلى حمل كمية كبيرة من الوقود الإضافي.

ومع ذلك، فإن تحويل هذه الفكرة التي تبدو بسيطة إلى واقع ليس بالأمر السهل.

يشير الباحثون إلى أن أحد أكبر التحديات في البيئات ذات المدار المنخفض للغاية يأتي من الأكسجين الذري. في الغلاف الجوي العلوي، يقوم الضوء فوق البنفسجي بتكسير الأكسجين العادي إلى أكسجين أحادي الذرة. تتمتع هذه المادة بقدرة أكسدة قوية للغاية وستؤدي بسرعة إلى تآكل المكونات الرئيسية مثل الأقطاب الكهربائية المعدنية وشبكات التسريع والكاثودات في المحركات الأيونية التقليدية.

على وجه الخصوص، فإن نظام الكاثود، المسؤول عن تحييد الشحنة، هو الأكثر عرضة للتلف. بمجرد فشل الكاثود، لن يتمكن القمر الصناعي من إطلاق الجسيمات المشحونة بشكل طبيعي، وسيفقد نظام الدفع وظيفته أيضًا.

بالإضافة إلى ذلك، فإن الغلاف الجوي العلوي ليس بيئة مستقرة. تتقلب كثافة الغاز مع تغيرات النهار والليل، والنشاط الشمسي، والموقع المداري، مما يزيد من صعوبة تصميم نظام الدفع.

من أجل التعامل مع هذه المشاكل، صمم رومانو نوعًا جديدًا من دافعات البلازما ذات الموجات الحلزونية ذات الترددات الراديوية. بالمقارنة مع المحركات الأيونية التقليدية، لا يعتمد هذا التصميم على المحايدات وأنظمة الكاثود المعرضة للتآكل، ويحقق مهام الدفع عن طريق توليد طائرة بلازما شبه محايدة تحتوي على أيونات موجبة وسالبة.

قام فريق البحث أيضًا بتطوير هياكل تجميع جوية متخصصة. الأكثر فعالية هو جهاز سحب الهواء بهيكل مرآة مكافئ. في التجارب، كان هذا التصميم قادرًا على التقاط حوالي 94.3% من جزيئات الغاز القادمة. وحتى لو انحرف موقف القمر الصناعي إلى حد ما، فإن الانخفاض في كفاءة التحصيل محدود نسبيًا.

يعتمد الجزء الأساسي من الدافع تصميمًا هيكليًا مشابهًا لـ "هوائي قفص العصافير" في معدات التصوير بالرنين المغناطيسي. تظهر نتائج الاختبار أن هذا الحل يمكنه نقل حوالي 99% من طاقة التردد الراديوي إلى الدافع، مما يقلل بشكل كبير من فقدان الطاقة الناتج عن هيكل الملف التقليدي.

تظهر نتائج المحاكاة المعملية أن نظام الدفع يتطلب فقط 50 إلى 60 واطًا من الطاقة لتكوين تدفق بلازما مستقر، وفي بيئة مدارية فعلية، من المتوقع أن تكون الطاقة المطلوبة للحفاظ على التشغيل المستمر أقل من 1.6 كيلووات. ويعتقد الباحثون أن هذا الطلب يمكن تلبيته بالكامل من خلال الألواح الشمسية العادية.

وفقًا لحسابات النموذج، إذا كان أداء النظام يلبي التوقعات، فيمكن للقمر الصناعي الحفاظ على مدار على ارتفاع حوالي 190 إلى 250 كيلومترًا لفترة طويلة دون الحاجة إلى تجديد الوقود الدفعي التقليدي. وهذا لا يعني فقط إمكانية إطالة عمر المهمة بشكل كبير، ولكن يمكن أيضًا تقليل جودة الإطلاق وتكلفة المهمة.

وأكد الباحثون أن هذه التكنولوجيا لا تزال في مرحلة التحقق التجريبي والنمذجة النظرية ولم يتم اختبارها بعد من خلال بعثات فضائية حقيقية. ولا تزال هناك حاجة لمزيد من التحقق من موثوقيتها على المدى الطويل وقدرتها على التكيف مع البيئة المدارية وكفاءة الدفع الفعلية.

على الرغم من ذلك، تعتقد الصناعة عمومًا أن أنظمة الدفع التنفسية في الغلاف الجوي تمثل اتجاهًا مهمًا لتطوير الأقمار الصناعية ذات المدار المنخفض للغاية. وإذا تم نشرها بنجاح في المستقبل، فمن المتوقع أن يعتمد الجيل القادم من أقمار مراقبة الأرض وأقمار الاتصالات وحتى مجسات الكواكب الأخرى على الغاز الطبيعي في البيئة المحيطة للحفاظ على التشغيل، وبالتالي التخلص من الاعتماد على الوقود الدفعي التقليدي.