ESA představila motor čerpající palivo z atmosféry

Výzkumníkům Evropské kosmické agentury se – jako prvním na světě – podařilo sestrojit velmi speciální iontový motor. Určitě víte, že iontové motory jsou motory, které dokáží po velmi dlouhou dobu dodávat nízký tah a tím jsou ideální například k dlouhodobým úpravám dráhy. Využívají jednotlivých iontů, které se skrz trysku vysílají velkou rychlostí ven, čímž dosahují mimořádně příznivých hodnot takzvaného specifického impulsu. Výhodou je jejich enormně nízká spotřeba paliva. Běžně se pro pohon takového motoru, který může být aktivní až několik let, používá jen několik desítek kilogramů provozní látky. Nevýhodou je jejich vyšší elektrická spotřeba, kterou řeší dostatečně velké solární panely. V Evropě se nyní podařilo sestavit motor, který si provozní látku může brát z horních vrstev atmosféry! Tím má k dispozici v podstatě „nekonečnou“ zásobu pohonných látek a může dlouhodobě pracovat na velmi nízkých oběžných drahách!

Kompletní testovací set iontového motoru pro využití molekul vzduchu

Kompletní testovací set iontového motoru pro využití molekul vzduchu
Zdroj: http://www.esa.int/

Výše jsme si řekli, že podobné motory jsou vhodné pro dlouhodobé změny dráhy, které se dají využít například při dlouhodobých misích k jiným tělesům, kde má sonda dostatek času na změny své dráhy a může využít pomalého, ale extrémně ekonomicky výhodného iontového motoru. K čemu nám tedy je, že sonda může jako provozní látku využívat molekuly atmosféry planety?

Možná si vzpomenete na významnou evropskou misi GOCE. Družice po více jak čtyři roky operovala na velmi nízké kruhové oběžné dráze ve výšce pouhých 250 km. Družice byla velmi vzhledově netradiční, protože kvůli průletům tak nízko nad Zemí, měla mírně aerodynamický tvar a patří tak vzhledově k nejkrásnějším družicím vůbec. V takových výškách jsou pozůstatky atmosféry už tak významné, že mohly stabilizačně ovlivnit samotnou sondu. Na takto nízké oběžné dráze každopádně mohla GOCE zůstat jen díky iontovému motoru. Ten byl po celou dobu letu aktivní a dodával tah k tomu, aby se družice udržela na oběžné dráze a nezpomalovala se tím, jak se třela o vrchní vrstvy atmosféry. Životnost GOCE tak byla přímo ohraničena tím, po jak dlouhou dobu budou motoru stačit 40 kg těžké zásoby pohonných hmot (xenonu). A ty stačily na zmíněné více jak čtyři roky.

GOCE

GOCE
Zdroj: https://img.newatlas.com/

Výhodou nové koncepce motoru je také to, že může být použit i u jiných planet s atmosférou. Molekuly oxidu uhličitého mohou dodávat palivo pro tento motor na oběžné dráze Marsu. Využití sondy, která by létala tak nízko nad Rudou planetou jsou nasnadě. Dočkali bychom se perfektního mapování s vysokým rozlišením i širokého vědeckého programu, který potřebuje data s vyšším rozlišením, která může poskytnout jen mise na velmi nízké oběžné dráze.

Tryska testovacího motoru

Tryska testovacího motoru
Zdroj: http://www.esa.int/

Ale zpět k motoru. Nejde o nějaký teoretický koncept. V Sitael v Itálii proběhl v minulých dnech test, který přímo simuloval podmínky letu ve vysokých výškách atmosféry. Testovací exemplář nového motoru byl umístěn ve vakuové komoře, kde byly navozeny stejné podmínky, které vládnou v pozemské atmosféře ve výšce 200 km. V komoře byl i „generátor toku částic“, který ve vakuové komoře vysílal rychle letící molekuly, které pak sbíral samotný motor. Motor samotný neobsahuje žádné složité pohyblivé části. Vše je řízeno cívkami a elektrodami, které pasivním způsobem vytváří robustní systém kompenzace tahu.

Princip iontového motoru využívajícího molekul vzduchu

Princip iontového motoru využívajícího molekul vzduchu
Zdroj: http://www.esa.int/

Na návrhu a stavbě motoru se například podíleli i polští technici z QuinteScience, kteří navrhli pasivní sběrač okolo letících molekul, který zajišťuje nejen sběr molekul, ale také jejich správné nasměrování do další části motoru. Další část navrhli přímo v Sitael a jedná se o duální trysku, která usměrňuje a poskytuje výsledný tah. Duální proto, že dokáže pracovat jak se zásobami xenonu, tak dokáže obohacovat palivovou směs o zachycené molekuly vzduchu (dusík a kyslík).

Praktický test, při kterém ověřovali, zda koncept sběru molekul vzduchu, jejich stlačení a následné vystřelení v dostatečné síle z trysky motoru funguje, značně urychlil stavbu motoru. Počítačové simulace jsou jedna věc, ale mít možnost koncept ověřit v praxi, je neocenitelné. Motor zatím funguje tak, že využívá jak vnitřní zásoby xenonu, tak i přijímané molekuly vzduchu. To, že se test zdařil, zjistili technici okamžitě. Poté, co nastavili motor na přijímání okolních molekul vzduchu, změnila se klasická barva „spalin“ motoru z modré (xenon) na fialovou (kyslík a dusík). V té chvíli technici věděli, že vše funguje, jak má.

Motor byl pak mnohokrát vypnut a zapnut, stejně tak jako byly několikrát přenastaveny módy z práce motoru pouze na xenon, tak na obohacování směsi o okolní vzduch. „Tento výsledek znamená, že iontový motor pracující se vzduchem již není pouze teorií, nýbrž hmatatelnou, reálnou koncepcí, připravenou k rozvoji, která jednou může sloužit jako základ pro mise zcela nové kategorie.“ Řekl k výsledkům vedoucí projektu Louis Walpot z ESA.

Modrá barva trysky při využívání xenonu jako paliva

Modrá barva trysky při využívání xenonu jako paliva
Zdroj: http://www.esa.int/

Fialová barva trysky poté, co iontový motor začal využívat molekul vzduchu

Fialová barva trysky poté, co iontový motor začal využívat molekul vzduchu
Zdroj: http://www.esa.int/

Zdroje informací:
http://www.esa.int/

Zdroje obrázků:
http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2018/03/Thruster_with_xenon_propellant
http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2018/03/Thruster_with_air
http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2018/03/Thruster_inside_vacuum_chamber
http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2018/03/Air-breathing_electric_propulsion
http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2018/03/Test_set-up
http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2018/03/Air-breathing_ion_thruster
https://img.newatlas.com/goce-ends.jpg

ESA představila motor čerpající palivo z atmosféry, 5.0 out of 5 based on 35 ratings
Pin It
(Visited 6 138 times, 1 visits today)
Kontaktujte autora článku - hlášení chyb a nepřesností, rady, či připomínky

Hlášení chyb a nepřesnostíClose

VN:F [1.9.22_1171]
Rating: 5.0/5 (35 votes cast)
(Visited 6 138 times, 1 visits today)
Níže můžete zanechat svůj komentář.

Více se o tomto tématu dočtete zde »
(odkaz vede na příslušné vlákno diskuzního fóra www.kosmonautix.cz)


35 komentářů ke článku “ESA představila motor čerpající palivo z atmosféry”

  1. David R napsal:

    Tohle je naprostá bomba! Pokud jednou budou vyšší oběžné dráhy nepoužitelné (viz Kesslerův syndrom, ano, lze o tom diskutovat, doufejme, že nenastane, ale to riziko tu je), tak tenhle motůrek jednou možná bude základ všeho. Družice pak budou vypadat možná ještě líp než ta GOCE (a ty, které si troufnou o něco výš, mezi smetí, by mohly vypadat také velmi zajímavě).

    Další verze tohoto motoru by v ideálním případě mohla pracovat na převážně organický odpad (no, nebudeme to raději konkretizovat) při pilotovaných meziplanetárních letech.

    • Magy napsal:

      suhlasim, v podstate ide o prvy krok k motorom, ktore dokazu vyuzit akukolvek hmotu a, zjednodusene povedane, premenit ju pomocou elektriny na tah. kedykolvek, kdekolvek. bez nutnosti tahat obrovske zasoby konkretneho paliva. tu sa zacina zberom molekul plynov, neskor to moze byt aj ten „bioodpad“, ktory bude sluzit ako palivo. Alebo si raketa po ceste „odchyti“ nejaky ten medzihviezdny prach, ci rovno cely asteroid, a pouzije ho ako palivo.

    • Jan Kašpar napsal:

      Haha, biologický odpad. Čert ví, jakou by měly výkaly barvu při „urychlování“ 😀

      Ale pokud jsem dobře pochopil, lépe poslouží molekuly plynu – kyslík, dusík, aj. A nejspíše to nikdo zatím neví, ale do jaké výšky atmosféry by se dal takový motor použít? A může se tak vytvořit dostatečný tah např. pro opuštění atmosféry?

      Je to úžasný objev. Teď ještě dodělat S.A.B.R.E, a do vesmíru můžeme všichni 🙂

  2. Honza M napsal:

    Terminologická připomínka: Termín „spalovací směs“ u iontového motoru mě doslova praštil do oka.
    Samozřejmě většina čtenářů jistě tuší, že tam nic nehoří, při příslušných rychlostech a hustotách jednotilivé částice nemájí možnost se potkat.
    Asi bych volil osvědčený pojem „pracovní látka“ nebo „urychlované médium“.

    • Lukáš Houška napsal:

      Dobré ráno,

      máte pravdu, je to nevhodně použité slovo, které jsme použil čistě motoricky tak, aby to bylo pochopitelné. Slovo jsme už nahradil. Díky za doplnění. 🙂

    • AKA the A napsal:

      Teoreticky pokud používá kyslík, tak kyslíková plasma ochotně reaguje se vším (i třeba Xenonem), včetně toho motoru samotného 😀

  3. HnD napsal:

    Nejsou informace o tom, jaký poměr plynů měla obohacená směs, jak to ovlivní tah či životnost motoru a zda je možné xenon vyřadit úplně?

    • Lukáš Houška napsal:

      Bohužel, nikde jsem tyto informace nedohledal. Uvidíme časem, jak půjde dál vývoj tohoto motoru.

      • MilanV napsal:

        Na stránkách ESA je odstaveček „The system was finally ignited repeatedly solely with atmospheric propellant to prove the concept’s feasibility.“ takže motor funguje i kompletně bez xenonu.

        Díky za pěkný článek o velmi zajímavém posunu v kosmické dopravě!

  4. Zdeněk napsal:

    Paráda- ty možnosti .

  5. Lubix napsal:

    Už jen zbývá vyvinout iontový motor o výkonu proudového motoru schopném pracovat i v nulové výšce a pak teprve by to byl hukot, pak by tady byly v reálu scény jako dnes ve sci-fi.

  6. Kamil napsal:

    Jak nízko by mohli s takovým motorem létat družice? Pod 200 km?

    • AKA the A napsal:

      problém bude spíš v poměru tahu k aerodynamickému odporu družice (značně ovlivněno tvarem a orientací), dříve či později motor prostě nebude schopen překonat odpor a družice by pomalu (ale jistě 😉 )šla k zemi…

  7. JanHonnza napsal:

    Vypadá to neuvěřitelně zajímavě, pokud by byly, třeba později, dostupné technické parametry, výkony, použitelnost v rozsahu výšek oběžných drah, budu moc vdecny. Jen doufám, že další vývoj nebude trvat dekády.

  8. MilAN napsal:

    Tak pohonná látka by byla, teď je ještě potřeba to „palivo“. U větších motorů asi nebude tak triviální získat dostatek elektrické energie

  9. Rudolf Šíma napsal:

    Myslím, že pokud je nápad realizovatelný, dočkáme se těchto pohonů (ideálních pro špionážní družice) za pár let.

  10. Milan Bačík napsal:

    Pro pilotované lety bude použití asi dost omezené, ale co třeba udržování oběžné dráhy ISS? Mohla by se tím snížit spotřeba paliva pro raketové trysky. Zkoušely se někdy na ISS nějaké iontové motory? Pro nízko letící satelity múže být tenhle motor hotová revoluce.

    • Honza napsal:

      Vím že na ISS měly letět plazmové motory VASIMR, ale o tom už dlouho slyšet nebylo, takže z toho možná sešlo. Z hlediska udržování stanice na dráze by sice nějaké takovéto slabé a účinné motory byly jistě praktické, ale asi by to narušilo hlavní účel stanice – experimenty v mikrogravitaci.
      I když při psaní mě vlastně napadá že ani teď není ta mikrogravitace na ISS dokonalá, protože neustále zpomaluje o exosféru.
      Takže když by tam byly motory, které by neustále generovaly přesně stejný tah, jako je odpor, to by pak ta beztíže byla vlastně ještě dokonalejší než teď a ještě by se ušetřilo za palivo.
      Nakonec myslím, že iontové motory na ISS by mohly být vlastně velmi dobrý nápad, přesto že ještě při začátku psaní tohoto komentáře jsem si myslel opak 😀

  11. Darman napsal:

    Možná se zeptám opravdu hloupě, ale: díky tomu že má motor takto opravdu nízkou „spotřebu“, je reálné jeho použití v atmosféře?

  12. Milanek napsal:

    Mně to napadlo už dávno :-D, jinak potenciál skoro neomezený – jaderný reaktor + nějaká novější generace iontových motorů a máme vyřešeno u všech planet i měsíců s atmostférou, další level samozřejmě „spalovat“ odpad a použít ho k urychlení také ideální, na to by moc energie navíc zase potřeba nebylo, a dalšíl level – chytit si asteroid a odtavováním a urychlováním z něj udělat palivo, samozřejmě je zásadní kolik konktretně je reálně dosažitelné urychlení / ztráty pohybem v nízké atmosféře ale předpokládám že je to do plusu

    • maro napsal:

      No jo. Ono to lidi napadlo určitě ještě dřív, než jste se vy vůbec objevil na světě. Ale realizace je něco sakra jiného než jen pouhý nápad…

    • AKA the A napsal:

      akorát na jaderný reaktor na oběžné dráze se lidi většinou netváří moc nadšeně 😛

  13. maro napsal:

    Je to super. A možná někdo ještě přijde na to, že zlepšuje ozónovou vrstvu, že to má vliv na zvyšování O3 v horních vrstvách atmosféry. Tohle vypadá jako ideální technologie pro hustou síť satelitů pro poskytování „internetu pro všechny“.

    • vj napsal:

      Díky nízké výšce by bylo horší pokrytí.

      • Dan napsal:

        Proto je zřejmě psáno „hustou“. Hrubým výpočtem, jeden satelit na každý čtverec 300×300 km dává cca 6000 satelitů na celý povrch. Něco jako StarLink. Ale to bude spíš dolní mez.

        • MartinH napsal:

          A pokud družice umře, velmi rychle klesne do spodních vrstev atmosféry a umře.

  14. gg napsal:

    Tak jestli to bez problémů funguje s kyslíkovými a dusíkovými molekulami, tak klobouk dolů. Ale zajímala by mě dlouhodobá životnost toho motoru. Obzvláště kvůli tomu kyslíku…

  15. Petr Kasan napsal:

    Dovolím si upozornit na komentář Jaroslava Kousala pod článkem se stejným tématem na osel.cz:
    „Proudění není viskózní, ale molekulární (proudnice neexistují), sonda nic nemůže sát, jen maximálně sebrat to, čím fyzicky ten vstupní nátrubek proletí. To při 7,8km/s rychlosti sondy (tepelná rychlost molekul je proti tomu malá) „vykrojí“ v těch 200km výšky cca 4mg/s na 1m2 vstupního průřezu (při 100% účinnosti, ve skutečnosti se leckterá molekula od sběrače jen odrazí).
    Iontů je vzhledem k neutrálům nepatrné množství, takže nemá smysl dělat magnetické „pasti“.
    Ty zahnuté proudnice v infografice jsou tedy zavádějící, nemají žádny fyzikální smysl.“

  16. Tomáš Hruš napsal:

    Je jasné, že se na tom museli podílet i Poláci. Stanisław Lem totiž ve své povídce Kladivo (z roku 1959) podobný princip (tj. pohon látkou sbíranou v prostoru) popisuje.

Zanechte komentář