In een wereldprimeur, een door ESA geleid team heeft een elektrische boegschroef gebouwd en afgevuurd om schaarse luchtmoleculen uit de top van de atmosfeer op te nemen voor drijfgas, de weg vrijmaken voor satellieten die jarenlang in zeer lage banen vliegen.

De GOCE-gravitatiemapper van ESA vloog meer dan vijf jaar lang zo laag als 250 km dankzij een elektrische boegschroef die voortdurend de luchtweerstand compenseerde. Echter, zijn levensduur werd beperkt door de 40 kg xenon die hij als drijfgas vervoerde - toen dat eenmaal uitgeput was, de missie was voorbij.

Het vervangen van drijfgas aan boord door atmosferische moleculen zou een nieuwe klasse satellieten creëren die gedurende lange perioden in zeer lage banen kunnen werken.

Luchtademende elektrische stuwraketten kunnen ook worden gebruikt aan de buitenranden van atmosferen van andere planeten, puttend uit de koolstofdioxide van Mars, bijvoorbeeld.

"Dit project begon met een nieuw ontwerp om luchtmoleculen op te scheppen als drijfgas vanaf de top van de aardatmosfeer op ongeveer 200 km hoogte met een typische snelheid van 7,8 km/s, " legt Louis Walpot van ESA uit.

Voor het testen van het concept is door Sitael in Italië een complete boegschroef ontwikkeld, die werd uitgevoerd in een vacuümkamer in hun testfaciliteiten, simulatie van de omgeving op 200 km hoogte.

Een 'deeltjesstroomgenerator' leverde de naderende hogesnelheidsmoleculen voor verzameling door de nieuwe inlaat en boegschroef van Ram-Electric Propulsion.

Er zijn geen kleppen of complexe onderdelen – alles werkt op een eenvoudige, passieve grondslag. Het enige dat nodig is, is stroom naar de spoelen en elektroden, het creëren van een extreem robuust weerstandscompensatiesysteem.

De uitdaging was om een ​​nieuw type inlaat te ontwerpen om de luchtmoleculen op te vangen, zodat ze niet alleen wegkaatsen, maar worden opgevangen en samengeperst.

De moleculen die worden verzameld door de inlaat die is ontworpen door QuinteScience in Polen, krijgen elektrische ladingen zodat ze kunnen worden versneld en uitgeworpen om stuwkracht te leveren.

Sitael ontwierp een tweetraps boegschroef om te zorgen voor een betere oplading en versnelling van de inkomende lucht, wat moeilijker te bereiken is dan bij traditionele elektrische voortstuwingsontwerpen.

"Het team voerde computersimulaties uit op het gedrag van deeltjes om alle verschillende innameopties te modelleren, " voegt Louis toe, "maar het kwam allemaal neer op deze praktische test om te weten of de gecombineerde inlaat en boegschroef zouden samenwerken of niet.

"In plaats van simpelweg de resulterende dichtheid bij de collector te meten om het inlaatontwerp te controleren, we besloten om een ​​elektrische boegschroef te bevestigen. Op deze manier, we hebben bewezen dat we de luchtmoleculen inderdaad kunnen verzamelen en comprimeren tot een niveau waarop ontsteking van de boegschroef kan plaatsvinden, en meet de werkelijke stuwkracht.

"Eerst hebben we gecontroleerd of onze boegschroef herhaaldelijk kon worden ontstoken met xenon dat werd verzameld uit de deeltjesbundelgenerator."

Als volgende stap, Louis legt uit, het xenon werd gedeeltelijk vervangen door een stikstof-zuurstof-luchtmengsel:"Toen de op xenon gebaseerde blauwe kleur van de motorpluim veranderde in paars, we wisten dat het ons was gelukt.

"Het systeem werd uiteindelijk herhaaldelijk ontstoken met alleen atmosferisch drijfgas om de haalbaarheid van het concept te bewijzen.

"Dit resultaat betekent dat luchtademende elektrische voortstuwing niet langer alleen een theorie is, maar een tastbare, werkconcept, klaar om ontwikkeld te worden, om op een dag als basis te dienen voor een nieuwe klasse van missies."