La propulsión eléctrica por respiración de atmósfera , o propulsión eléctrica por respiración de aire , abreviadamente ABEP, [1] es una tecnología de propulsión para naves espaciales , que podría permitir la generación de empuje en órbitas bajas sin necesidad de propulsor a bordo, mediante el uso de gases residuales en la atmósfera. como propulsor. La propulsión eléctrica que respira la atmósfera podría hacer factible una nueva clase de misiones de larga duración y en órbita baja.
El concepto está siendo investigado actualmente por la Agencia Espacial Europea (ESA), [2] el proyecto BREATHE, financiado por la UE, en la Escuela de Estudios Avanzados Sant'Anna de Pisa y el proyecto DISCOVERER, financiado por la UE . [3] Los propulsores eléctricos convencionales de última generación no pueden mantener el vuelo a bajas altitudes durante más de aproximadamente 2 años, [4] debido a la limitación en el almacenamiento del propulsor y en la cantidad de empuje generado, que obligan a la órbita de la nave espacial se desintegre. La ESA anunció oficialmente la primera demostración en tierra exitosa del prototipo RAM-EP en marzo de 2018. [5]
Un ABEP está compuesto por una toma y un propulsor eléctrico: como propulsor se utilizan gases enrarecidos, responsables del arrastre en la órbita terrestre baja (LEO) y en la órbita terrestre muy baja (VLEO) . [6] [7] Idealmente, esta tecnología permitiría a los S/C orbitar a altitudes muy bajas (< 400 km alrededor de la Tierra) sin la necesidad de propulsor a bordo, lo que permitiría misiones de mayor duración en una nueva sección de las altitudes de la atmósfera. Esta ventaja hace que la tecnología sea de interés para misiones científicas, servicios de vigilancia militares y civiles, así como servicios de comunicación de órbita baja con latencia incluso menor que Starlink .
Se utilizará una entrada especial para recoger las moléculas de gas y dirigirlas al propulsor. Luego, el propulsor ionizará las moléculas y las expulsará de la etapa de aceleración a una velocidad muy alta, generando empuje. La energía eléctrica necesaria puede ser proporcionada por los mismos subsistemas de energía desarrollados para los sistemas de propulsión eléctrica reales, probablemente una combinación de paneles solares y baterías, aunque se pueden considerar otros tipos de subsistemas de energía eléctrica. Un ABEP podría prolongar la vida útil de los satélites en LEO y VLEO compensando la resistencia atmosférica durante su tiempo de operación. La altitud para un ABEP en órbita terrestre se puede optimizar entre 120 y 250 km. [8] Esta tecnología también podría utilizarse en cualquier planeta con atmósfera, si el propulsor puede procesar otros propulsores y si la fuente de energía puede proporcionar la energía necesaria, por ejemplo, suficiente irradiación solar para los paneles solares, como Marte y Venus , de lo contrario Para una misión alrededor de Titán , por ejemplo, es necesario implementar otros subsistemas de energía eléctrica, como un reactor nuclear espacial o un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) .
Los primeros estudios que consideraron la recolección y el uso de la atmósfera superior como propulsor para un propulsor eléctrico se remontan a 1959 con los estudios sobre el acumulador de fluido propulsor de ST Demetriades. [9] [10] [11] [12]
En el desarrollo de motores de iones que respiran atmósfera, una extensión notable de la Ley de Child llevó a su implementación en el concepto ABEP en 1995. [13] [14] Originalmente, la Ley de Child modeló el flujo de carga entre un ánodo y un cátodo con la suposición de que la velocidad inicial de los iones era cero. Sin embargo, esta suposición no es aplicable a los propulsores de iones que operan en órbita terrestre baja, donde el gas ambiental ingresa a la cámara de ionización a altas velocidades.
Buford Ray Conley proporcionó una generalización de la ley de Child que explica una velocidad inicial de iones distinta de cero. Esta adaptación ha sido importante para el modelado teórico de sistemas de propulsión iónica, particularmente aquellos que operan en las condiciones enrarecidas de la órbita terrestre baja.
La generalización de la Ley de Child tiene implicaciones para el diseño y la eficiencia de los propulsores de iones que respiran la atmósfera. Al tener en cuenta el gas ambiental a alta velocidad que ingresa a la cámara de ionización en la órbita terrestre baja, la ley modificada permite un modelado teórico más preciso. Una vez que el gas ambiental se ioniza en la cámara, se acelera electromagnéticamente fuera del escape, contribuyendo a la propulsión de la nave espacial.
El RAM-EP de la ESA, diseñado y desarrollado por SITAEL en Italia , se probó por primera vez en laboratorio en mayo de 2017. [15] [16] [17]
El Instituto de Sistemas Espaciales de la Universidad de Stuttgart está desarrollando la admisión y el propulsor, este último es el propulsor de plasma (IPT) basado en helicón de RF, [18] [19] que se encendió por primera vez en marzo de 2020. Véase el comunicado de prensa del IRS Uni Stuttgart. Un dispositivo de este tipo tiene la principal ventaja de que no hay componentes en contacto directo con el plasma, lo que minimiza la degradación del rendimiento con el tiempo debido a la erosión de propulsores agresivos, como el oxígeno atómico en VLEO, y no requiere un neutralizador. La admisión y el propulsor se desarrollan dentro del Proyecto DISCOVERER EU H2020.
Las tomas se han diseñado en múltiples estudios y se basan en condiciones de flujo molecular libre y en modelos de interacción gas-superficie: basándose en las propiedades de reflexión especular de los materiales de admisión, en teoría se pueden lograr altas eficiencias mediante el uso de diseños similares a telescopios. Con propiedades de reflexión totalmente difusas, las eficiencias son generalmente menores, pero con un mecanismo de captura también se puede mejorar la distribución de la presión frente al propulsor. [20]
Busek Co. Inc. en EE. UU. patentó su concepto de propulsor de efecto Hall de respiración de aire (ABHET) en 2004, [21] y con financiación del Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA , inició en 2011 un estudio de viabilidad que se aplicaría a Marte. (Marte-ABHET o MABHET), donde el sistema respiraría e ionizaría el dióxido de carbono atmosférico . [22] El concepto MABHET se basa en los mismos principios generales que el motor de iones de respiración de aire (ABIE) de JAXA o el RAM-EP de la ESA. [23]
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