เมื่อมาถึงอนาคตของการสำรวจอวกาศหนึ่งในความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดกำลังเกิดขึ้นกับเครื่องยนต์ที่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดในขณะที่ยังมั่นใจถึงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง สิ่งนี้ไม่เพียงลดค่าใช้จ่ายของแต่ละภารกิจเท่านั้น แต่ยังช่วยให้มั่นใจได้ว่ายานอวกาศหุ่นยนต์ (และยานอวกาศ crewed) สามารถใช้งานเป็นระยะเวลานานในอวกาศโดยไม่ต้องเติมเชื้อเพลิง
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาความท้าทายนี้ได้นำไปสู่แนวคิดที่เป็นนวัตกรรมอย่างแท้จริงซึ่งหนึ่งในนั้นเพิ่งสร้างและทดสอบเป็นครั้งแรกโดยทีม ESA แนวคิดเครื่องยนต์นี้ประกอบด้วยทรัสเตอร์ไฟฟ้าที่สามารถ“ scooping” โมเลกุลของอากาศที่หายากจากยอดของบรรยากาศและใช้พวกมันเป็นตัวขับเคลื่อน การพัฒนานี้จะเปิดทางให้กับดาวเทียมทุกชนิดที่สามารถทำงานได้ในวงโคจรที่ต่ำมาก ๆ รอบ ๆ ดาวเคราะห์ในแต่ละปี
แนวคิดของเครื่องช่วยหายใจอากาศ (aka. Ram-Electric Propulsion) ค่อนข้างง่าย กล่าวสั้น ๆ ว่าเครื่องยนต์ทำงานบนหลักการเดียวกันกับ ramscoop (ซึ่งมีการรวบรวมไฮโดรเจนระหว่างดวงดาวเพื่อใช้เป็นเชื้อเพลิง) และเครื่องยนต์ไอออน - ซึ่งอนุภาคที่เก็บรวบรวมจะถูกประจุและพุ่งออกมา เครื่องยนต์ดังกล่าวจะทำไปกับตัวขับเคลื่อนบนเครื่องบินโดยการจับโมเลกุลบรรยากาศเมื่อมันผ่านชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์
แนวคิดนี้เป็นหัวข้อของการศึกษาเรื่อง“ การขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าแรมสำหรับการปฏิบัติการโคจรรอบโลก: การศึกษา ESA” ซึ่งถูกนำเสนอในการประชุมครั้งที่ 30 ของการขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าระหว่างประเทศในปี 2550 การศึกษานี้เน้นว่า การลากและอายุการใช้งานของพวกเขาจะถูก จำกัด ด้วยเทคโนโลยีการขับเคลื่อนปัจจุบันโดยจำนวนของจรวดที่พวกเขาสามารถดำเนินการเพื่อชดเชยมันได้”
ผู้เขียนของการศึกษายังระบุว่าดาวเทียมที่ใช้แรงขับไฟฟ้าอิมพัลส์เฉพาะแบบสูงจะสามารถชดเชยการลากในระหว่างการดำเนินการในระดับความสูงต่ำเป็นระยะเวลานานได้อย่างไร แต่เมื่อสรุปแล้วภารกิจดังกล่าวก็จะถูก จำกัด ด้วยปริมาณเชื้อเพลิงที่สามารถบรรทุกได้ นี่เป็นกรณีที่เกิดขึ้นกับสนาม Gravity ของ ESA และดาวเทียมสำรวจสภาวะการไหลเวียนในมหาสมุทร (GOCE) ของผู้สร้างแรงโน้มถ่วง
ในขณะที่ GOCE ยังคงอยู่ในวงโคจรของโลกมานานกว่าสี่ปีและดำเนินการที่ระดับความสูงต่ำสุดที่ 250 กม. (155 ไมล์) ภารกิจสิ้นสุดลงทันทีที่มันหมดแรง 40 กิโลกรัม (88 ปอนด์) ของซีนอนในการขับเคลื่อน เช่นนี้แนวคิดของระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าที่ใช้โมเลกุลบรรยากาศเป็นจรวดได้รับการตรวจสอบ ดังที่ดร. หลุยส์วอลพอตแห่งอีเอสเอได้อธิบายไว้ในข่าวประชาสัมพันธ์ของอีเอสเอ:
“ โครงการนี้เริ่มต้นด้วยการออกแบบแปลกใหม่ในการดูดซับโมเลกุลของอากาศเป็นตัวขับเคลื่อนจากชั้นบรรยากาศโลกที่ระดับความสูงประมาณ 200 กม. ด้วยความเร็วปกติที่ 7.8 กม. / วินาที”
เพื่อพัฒนาแนวคิดนี้ บริษัท การบินและอวกาศอิตาลี Sitael และ บริษัท การบินและอวกาศโปแลนด์ QuinteScience ร่วมมือกันเพื่อสร้างการออกแบบใหม่และการออกแบบทรัสเตอร์ ในขณะที่ QuinteScience สร้างไอดีที่จะรวบรวมและบีบอัดอนุภาคบรรยากาศที่เข้ามา Sitael พัฒนาทรัสเตอร์แบบสองขั้นตอนที่จะชาร์จและเร่งอนุภาคเหล่านี้เพื่อสร้างแรงผลักดัน
จากนั้นทีมก็ทำการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อดูว่าอนุภาคจะทำงานอย่างไรในตัวเลือกการบริโภคที่หลากหลาย แต่ในที่สุดพวกเขาเลือกที่จะทำการทดสอบเพื่อดูว่าการรวมกันของไอดีและทรัสเตอร์จะทำงานร่วมกันได้หรือไม่ ในการทำเช่นนี้ทีมได้ทำการทดสอบในห้องสุญญากาศที่หนึ่งในศูนย์ทดสอบของ Sitael ห้องจำลองสภาพแวดล้อมที่ระดับความสูง 200 กม. ในขณะที่ "เครื่องกำเนิดกระแสอนุภาค" ให้โมเลกุลความเร็วสูงที่กำลังจะมาถึง
เพื่อให้การทดสอบสมบูรณ์ยิ่งขึ้นและตรวจสอบให้แน่ใจว่าทรัสเตอร์สามารถทำงานได้ในสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันต่ำทีมเริ่มต้นด้วยการจุดไฟด้วยซีนอน - จรวด วอลพอตอธิบาย:
“ แทนที่จะวัดความหนาแน่นที่เกิดขึ้นที่นักสะสมเพื่อตรวจสอบการออกแบบไอดีเราตัดสินใจที่จะติดตั้งทรัสเตอร์ไฟฟ้า ด้วยวิธีนี้เราได้พิสูจน์แล้วว่าเราสามารถรวบรวมและอัดโมเลกุลอากาศให้อยู่ในระดับที่สามารถเกิดการจุดระเบิดของทรัสเตอร์และวัดแรงผลักดันที่แท้จริง ตอนแรกเราตรวจสอบว่าเครื่องทรัสเตอร์ของเราสามารถติดไฟได้อีกครั้งด้วยซีนอนที่รวบรวมจากเครื่องกำเนิดลำแสงอนุภาค”
ในขั้นตอนต่อไปทีมจะเปลี่ยนซีนอนด้วยส่วนผสมของอากาศไนโตรเจนกับออกซิเจนเพื่อจำลองบรรยากาศชั้นบนของโลก อย่างที่หวังไว้เครื่องยนต์ก็ยังคงทำการยิงและสิ่งเดียวที่เปลี่ยนไปคือสีของแรงขับ
“ เมื่อสีน้ำเงินของซีนอนเครื่องยนต์เปลี่ยนเป็นสีม่วงเรารู้ว่าเราประสบความสำเร็จ” ดร. วอลพอตกล่าว “ ในที่สุดระบบก็ถูกจุดประกายซ้ำ ๆ ด้วยแรงขับบรรยากาศเพื่อพิสูจน์ความเป็นไปได้ของแนวคิด ผลลัพธ์นี้หมายถึงแรงขับไฟฟ้าจากลมหายใจไม่ใช่แค่ทฤษฎีอีกต่อไป แต่เป็นแนวคิดการทำงานที่จับต้องได้และพร้อมที่จะพัฒนาเพื่อให้บริการในหนึ่งวันเป็นพื้นฐานของภารกิจใหม่ ๆ ”
การพัฒนาเครื่องผลักดันไฟฟ้าแบบใช้ลมหายใจช่วยให้สามารถรับสัญญาณดาวเทียมประเภทใหม่ที่สามารถทำงานได้กับขอบของ Mars ’, Titan และบรรยากาศของวัตถุอื่น ๆ เป็นเวลาหลายปี ด้วยอายุการใช้งานประเภทนี้ดาวเทียมเหล่านี้สามารถรวบรวมข้อมูลจำนวนมากเกี่ยวกับสภาพอุตุนิยมวิทยาของร่างกายการเปลี่ยนแปลงตามฤดูกาลและประวัติสภาพอากาศของพวกเขา
ดาวเทียมดังกล่าวก็จะมีประโยชน์มากเมื่อพูดถึงการสำรวจโลก เนื่องจากพวกเขาจะสามารถทำงานที่ระดับความสูงต่ำกว่าภารกิจก่อนหน้าและจะไม่ถูก จำกัด ด้วยจำนวนของจรวดที่พวกเขาสามารถพกพาได้ดาวเทียมที่ติดตั้งเครื่องขับลมหายใจสามารถทำงานได้เป็นระยะเวลานาน เป็นผลให้พวกเขาสามารถนำเสนอการวิเคราะห์เชิงลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศและตรวจสอบรูปแบบอุตุนิยมวิทยาการเปลี่ยนแปลงทางธรณีวิทยาและภัยพิบัติทางธรรมชาติอย่างใกล้ชิด
