Zrak koji koči satelite mogao bi ih i pokretati

Satelit u niskoj orbiti troši gorivo samo zato što ga zrak koči — a jedan doktorand odlučio je taj isti zrak pretvoriti u pogonsko gorivo.

Francesco Romano sa Sveučilišta u Stuttgartu obranio je doktorsku disertaciju u kojoj opisuje plazma motor koji ne nosi vlastito gorivo, nego ga usisava iz razrijeđene atmosfere na visini između 100 i 450 kilometara. Riječ je o sustavu atmosferski dišuće električne propulzije (ABEP): prednji usisnik hvata molekule zraka, motor ih pretvara u plazmu i izbacuje ih natrag, a mlaz potiska drži satelit u orbiti.

Zvuči jednostavno. U praksi se dosad lomilo na dva problema.

Atomarni kisik jede motor

U gornjoj atmosferi ultraljubičasto zračenje razdvaja molekulu kisika na dva slobodna atoma. Taj atomarni kisik izrazito je reaktivan i nagriza metalne elektrode, akceleracijske rešetke i katode standardnih ionskih motora. Najgore prolaze katode u „elektronskom topu“ koji neutralizira naboj letjelice — kada one popuste, cijeli pogon otkaže jer se ionizirani plin počne vraćati na satelit.

Drugi problem je sama atmosfera. Njezina gustoća mijenja se danju i noću, po geografskoj širini i sa Sunčevom aktivnošću, pa motor mora raditi u svim tim uvjetima.

Romano je oba problema zaobišao konstrukcijom bez katoda i bez neutralizatora. Umjesto užarenih elektroda koristi radiofrekventnu antenu u obliku kaveza, istu vrstu kakva se ugrađuje u magnetsku rezonancu. Prema njegovim mjerenjima, 99 posto dovedene električne energije završi u plazmi, što je znatno bolje od klasičnih bakrenih zavojnica koje dio snage gube na vlastitu reaktanciju.

Ispuh rješava solenoid oko motora. Magnetsko polje izbacuje kvazineutralni mlaz u kojem lete i pozitivni i negativni ioni, pa nema potrebe za dodatnim neutralizatorom naboja.

Zrak hvata parabolom

Jednako važan dio priče je usisnik. Romano je isprobao tri izvedbe: lijevkasti dizajn koji hvata čestice razbacane toliko rijetko da se međusobno nikad ne sudaraju, difuzni usisnik od kompaktnog heksagonalnog titanova legure i zrcalni usisnik — parabolično zrcalo obloženo grafitom ili silicijevim dioksidom koje čestice odbija ravno u motor.

Zrcalna verzija pobijedila je uvjerljivo. U testu s atomarnim kisikom, argonom i dušikom uhvatila je 94,3 posto čestica, a pri nagibu od 15 stupnjeva učinkovitost je pala samo osam posto.

U vakuumskoj komori, s koncentracijama koje odgovaraju stvarnoj niskoj orbiti, motor je proizvodio stabilan mlaz plazme pri svega 50 do 60 vata radiofrekventne snage. To su okviri koje pokrivaju obični solarni paneli na satelitima.

Na temelju modela Romano je izračunao i praktične scenarije. Iznad Zemlje motor bi mogao raditi neograničeno između 190 i 250 kilometara uz manje od 1,6 kilovata snage. Iznad Marsa, gdje atmosferom dominira ugljikov dioksid, držao bi letjelicu na 120 do 160 kilometara — znatno niže od današnjih orbita.

Referentni primjer mu je satelit GOCE, koji je lansiran u vrlo nisku orbitu s ksenonskim ionskim motorom i na kraju ostao bez goriva. Upravo je ksenon, uz kripton i argon, najskuplji dio svake takve misije.

Pitanje koje ostaje visjeti

Disertacija ne nudi odgovor na ono što bi svakog poreznog obveznika trebalo zanimati: koliko bi ovakav motor koštao u serijskoj proizvodnji i tko bi ga uopće gradio. Radiofrekventni izvori plazme nisu egzotika — koriste se u industriji poluvodiča — ali svemirska kvalifikacija komponenti košta milijune, a nitko u tekstu ne navodi da postoji industrijski partner ili agencija koja bi financirala letni test.

To je stara bol svemirske tehnologije: laboratorijski rezultati putuju godinama do orbite, a mnogi nikad ne stignu. Bez demonstracijske misije ostaje samo obećanje da satelit neće morati nositi gorivo — i da će ga zrak, koji ga danas koči, sutra gurati naprijed.