Khi nói đến tương lai của thám hiểm không gian, một trong những thách thức lớn nhất là đến với các động cơ có thể tối đa hóa hiệu suất trong khi vẫn đảm bảo hiệu quả nhiên liệu. Điều này sẽ không chỉ giảm chi phí cho các nhiệm vụ riêng lẻ, nó sẽ đảm bảo rằng tàu vũ trụ robot (và thậm chí cả tàu vũ trụ có thể điều khiển) có thể hoạt động trong thời gian dài trong không gian mà không cần phải tiếp nhiên liệu.
Trong những năm gần đây, thách thức này đã dẫn đến một số khái niệm thực sự sáng tạo, một trong số đó gần đây đã được xây dựng và thử nghiệm lần đầu tiên bởi một nhóm ESA. Khái niệm động cơ này bao gồm một máy đẩy điện có khả năng loại bỏ các phân tử không khí khan hiếm từ ngọn của khí quyển và sử dụng chúng làm nhiên liệu đẩy. Sự phát triển này sẽ mở đường cho tất cả các loại vệ tinh có thể hoạt động ở quỹ đạo rất thấp xung quanh các hành tinh trong nhiều năm.
Khái niệm về một máy đẩy không khí (hay còn gọi là Ram-Electric Propuls) tương đối đơn giản. Nói tóm lại, động cơ hoạt động dựa trên các nguyên tắc giống như ramscoop (nơi thu thập hydro giữa các vì sao để cung cấp nhiên liệu) và động cơ ion - nơi các hạt được thu thập được tích điện và đẩy ra. Một động cơ như vậy sẽ loại bỏ được nhiên liệu trên tàu bằng cách lấy các phân tử khí quyển khi nó đi qua đỉnh của bầu khí quyển hành tinh.
Khái niệm này là chủ đề của một nghiên cứu có tiêu đề Động lực điện RAM RAM cho hoạt động quỹ đạo trái đất thấp: Một nghiên cứu ESA, được trình bày tại Hội nghị động cơ điện quốc tế lần thứ 30 năm 2007. Nghiên cứu nhấn mạnh cách các vệ tinh quỹ đạo Trái đất thấp đối với khí quyển kéo và do đó tuổi thọ của chúng bị hạn chế với các công nghệ đẩy hiện tại bởi lượng nhiên liệu mà chúng có thể mang theo để bù đắp cho nó.
Các tác giả nghiên cứu cũng chỉ ra làm thế nào các vệ tinh sử dụng động cơ đẩy xung lực cụ thể cao sẽ có khả năng bù cho lực cản trong quá trình vận hành ở độ cao thấp trong một thời gian dài. Nhưng khi họ kết luận, một nhiệm vụ như vậy cũng sẽ bị giới hạn trong lượng nhiên liệu mà nó có thể mang theo. Đây chắc chắn là trường hợp của trường trọng lực ESA từ trường hấp dẫn và vệ tinh bản đồ trọng lực thám hiểm đại dương (GOCE) trạng thái ổn định (GOCE),
Trong khi GOCE vẫn ở trên quỹ đạo Trái đất trong hơn bốn năm và hoạt động ở độ cao thấp tới 250 km (155 dặm), nhiệm vụ của nó đã chấm dứt thời điểm nó cạn kiệt nguồn cung xenon 40 kg (88 lbs) làm nhiên liệu đẩy. Như vậy, khái niệm về một hệ thống động cơ điện sử dụng các phân tử khí quyển làm chất đẩy cũng đã được nghiên cứu. Như Tiến sĩ Louis Walpot của ESA đã giải thích trong thông cáo báo chí ESA:
Dự án này bắt đầu với một thiết kế mới lạ để thu thập các phân tử không khí dưới dạng nhiên liệu từ đỉnh khí quyển Trái đất ở độ cao khoảng 200 km với tốc độ điển hình là 7,8 km / giây.
Để phát triển ý tưởng này, công ty hàng không vũ trụ Sitael của Ý và công ty hàng không vũ trụ Ba Lan QuinteScience đã hợp tác để tạo ra một thiết kế cuốn hút và thiết kế mới lạ. Trong khi QuinteScience chế tạo một ống hút có thể thu thập và nén các hạt khí quyển đến, Sitael đã phát triển một máy đẩy hai giai đoạn sẽ tích điện và tăng tốc các hạt này để tạo lực đẩy.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã chạy mô phỏng máy tính để xem các hạt sẽ hoạt động như thế nào trong một loạt các tùy chọn nạp. Nhưng cuối cùng, họ đã chọn tiến hành một bài kiểm tra thực hành để xem liệu kết hợp giữa hút và đẩy có kết hợp với nhau hay không. Để làm điều này, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm nó trong buồng chân không tại một trong những cơ sở thử nghiệm của Sitael. Buồng này mô phỏng một môi trường ở độ cao 200 km trong khi một máy tạo dòng hạt của Vương cung cấp cho các phân tử tốc độ cao sắp tới.
Để cung cấp một bài kiểm tra đầy đủ hơn và đảm bảo bộ đẩy sẽ hoạt động trong môi trường áp suất thấp, nhóm nghiên cứu đã bắt đầu bằng cách đốt cháy nó bằng xenon-propellant. Walpot giải thích:
Thay vì chỉ đơn giản là đo mật độ kết quả tại bộ thu để kiểm tra thiết kế đầu vào, chúng tôi quyết định gắn một bộ đẩy điện. Bằng cách này, chúng tôi đã chứng minh rằng chúng tôi thực sự có thể thu thập và nén các phân tử không khí đến mức có thể xảy ra đánh lửa bằng lực đẩy và đo lực đẩy thực tế. Lúc đầu, chúng tôi đã kiểm tra bộ đẩy của chúng tôi có thể được đánh lửa liên tục với xenon được thu thập từ máy phát chùm hạt.
Bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu thay thế một phần xenon bằng hỗn hợp không khí nitơ-oxy để mô phỏng bầu khí quyển phía trên Trái đất. Như hy vọng, động cơ tiếp tục bắn, và điều duy nhất thay đổi là màu sắc của lực đẩy.
Tiến sĩ Walpot cho biết, khi màu xanh da trời dựa trên xenon của màu động cơ thay đổi thành màu tím, chúng tôi biết rằng chúng tôi đã thành công. Hệ thống cuối cùng đã được đánh lửa liên tục chỉ với nhiên liệu khí quyển để chứng minh khái niệm tính khả thi. Kết quả này có nghĩa là động cơ điện hít thở không chỉ đơn giản là một lý thuyết mà là một khái niệm hữu hình, hoạt động, sẵn sàng để được phát triển, để phục vụ một ngày nào đó như là nền tảng của một lớp nhiệm vụ mới.
Sự phát triển của các máy đẩy điện hít thở không khí có thể cho phép một lớp vệ tinh hoàn toàn mới có thể hoạt động với rìa của Sao Hỏa, Titan, và các bầu khí quyển khác trong nhiều năm. Với tuổi thọ hoạt động này, các vệ tinh này có thể thu thập khối lượng dữ liệu về các cơ thể này, điều kiện khí tượng, thay đổi theo mùa và lịch sử khí hậu của chúng.
Các vệ tinh như vậy cũng sẽ rất hữu ích khi quan sát Trái đất. Vì chúng có thể hoạt động ở độ cao thấp hơn các nhiệm vụ trước đó và không bị giới hạn bởi lượng nhiên liệu mà chúng có thể mang theo, các vệ tinh được trang bị máy đẩy không khí có thể hoạt động trong thời gian dài. Do đó, họ có thể đưa ra các phân tích chuyên sâu hơn về Biến đổi khí hậu và theo dõi các kiểu khí tượng, thay đổi địa chất và thiên tai chặt chẽ hơn.
