Elektryczny napęd kosmiczny – wsparcie rozwoju przyszłego ekosystemu kosmicznego UE
W ciągu ostatnich dziesięciu lat postęp w dziedzinie mikroelektroniki i niższe koszty startów umożliwiły umieszczanie na orbicie większej liczby satelitów. W nadchodzących latach planowane jest wyniesienie na orbitę dziesiątek tysięcy satelitów z myślą o poprawie jakości usług w takich dziedzinach, jak obserwacje Ziemi, nawigacja czy łączność. Obecnie na niskiej orbicie okołoziemskiej znajduje się ponad 5 000 satelitów, które okrążają naszą planetę na wysokości od 200 do 1 600 km. Satelity te są jednak narażone na zjawisko obniżania orbity, czyli stopniowego zmniejszania się ich odległości od Ziemi. Zatem utrzymanie zadanej wysokości na orbicie wymaga zastosowania wydajnego układu napędowego o niskim ciągu. Napęd elektryczny to rewolucyjna, lekka i wysoce wydajna technologia, która doskonale nadaje się do utrzymywania satelitów na niskiej orbicie okołoziemskiej. Ta klasa napędów kosmicznych wykorzystuje energię elektryczną do przyspieszania materiału pędnego za pomocą różnych możliwych środków elektrycznych i/lub magnetycznych. Wykorzystanie energii elektrycznej zwiększa sprawność silników satelitarnych, zapewniając im przewagę nad konwencjonalnymi silnikami chemicznymi. W przeciwieństwie do systemów chemicznych, do przyspieszenia statku kosmicznego napęd elektryczny potrzebuje bardzo małej masy. Materiał pędny jest wyrzucany nawet 20 razy szybciej niż w przypadku klasycznego silnika chemicznego, dzięki czemu wydajność całego systemu jest wielokrotnie wyższa. Fakt ten ma szczególne znaczenie w przypadku statków kosmicznych przeznaczonych do misji w zakresie serwisowania i transportu na orbicie. Elektryczne układy napędowe o dużej mocy mogą również umożliwić realizację misji na Księżyc, Marsa czy pas asteroid, ponieważ ich wyższa moc przekłada się na wyższe wartości ciągu w porównaniu z chemicznymi materiałami pędnymi lub energią słoneczną z paneli pokładowych. Napęd elektryczny został uznany za kluczową technologię wspomagającą i strategiczną dla przyszłego unijnego ekosystemu kosmicznego oraz dla zapewnienia globalnego przywództwa Europy w dziedzinie operacji i transportu w przestrzeni kosmicznej. Rozwój tej technologii przyczyni się również do zmniejszenia zależności Europy od zagranicznych dostawców najważniejszych technologii kosmicznych, zapewniając jej niezależny dostęp do przestrzeni kosmicznej. Najnowsze wydanie broszury CORDIS Results Pack prezentuje najważniejsze rezultaty 12 projektów badawczych finansowanych przez Komisję Europejską za pośrednictwem programu „Horyzont” w ramach strategicznego klastra badawczego (SRC) w dziedzinie napędów elektrycznych. Strategiczny klaster badawczy przyczynił się do wzmocnienia europejskich badań nad napędem elektrycznym wzdłuż dwóch uzupełniających się kierunków rozwoju technologii. Pierwsza kategoria koncentrowała się na technologiach rozwojowych, takich jak silniki Halla, elektrostatyczne silniki jonowe i wysokowydajne wielostopniowe silniki plazmowe. W ramach drugiej kategorii badań zaprezentowano inne obiecujące i potencjalnie przełomowe technologie w dziedzinie napędu elektrycznego, w tym innowacyjne koncepcje pędników i nowe technologie wspomagające. Uczestnicy projektu EPIC2 określili działania wymagane w celu rozwiązania problemów związanych z projektami, a następnie ocenili działania i rezultaty poszczególnych prac. W ramach projektów CHEOPS LOW POWER, CHEOPS MEDIUM POWER oraz ASPIRE opracowano elektryczne układy napędowe wykorzystujące technologię efektu Halla, która skutecznie przyspiesza jony w celu wytworzenia wysokiego ciągu. Zespół projektu GIESEPP-MP zademonstrował pierwszą europejską platformę napędu elektrycznego opartą na normach, wykorzystującą technologię elektrostatycznego silnika jonowego, natomiast konsorcjum projektu HEMPT-NG2 opracowało technologię napędu jonowego opartą na wykorzystaniu magnesów stałych, dzięki którym możliwe jest utrzymanie plazmy. Inne obiecujące i potencjalnie przełomowe projekty w dziedzinie napędów elektrycznych obejmowały innowacyjne koncepcje pędników i nowe technologie wspierające. Przykładem jest projekt HIPATIA, którego uczestnicy przetestowali napęd plazmowy wykorzystujący pole elektromagnetyczne, który znajdzie zastosowanie w konstelacjach satelitów działających poza orbitami geostacjonarnymi oraz innych niewielkich pojazdach kosmicznych. Z kolei w ramach projektu NEMESIS opracowano technologię katod opartą na elektrydach o właściwościach przewyższających możliwości konwencjonalnej ceramiki. Równolegle zespół projektu iFACT przeprowadził badania dotyczące wykorzystania jodu jako materiału pędnego w napędach elektrycznych, co pomoże w zmniejszeniu kosztów paliwa i jego objętości. W ramach projektu PJP opracowano elektryczny silnik pulsacyjny oparty na zjawisku łuku próżniowego, który wykorzystuje stały metaliczny materiał pędny. Z kolei zespół projektu EDDA badał sposoby dostarczania energii z paneli fotowoltaicznych do silników elektrycznych bez konieczności stosowania przetwornic, zaś projekt AETHER koncentrował się na badaniu silnika powietrzno-przepływowego, wykorzystującego gazy resztkowe z górnej atmosfery zamiast pokładowego materiału pędnego, dzięki czemu satelity na bardzo niskiej orbicie okołoziemskiej mogą dłużej pozostawać w użyciu, przez co staną się bardziej opłacalne.
