Ketika datang ke masa depan penerokaan ruang angkasa, salah satu cabaran terbesar adalah dengan mesin yang dapat memaksimumkan prestasi dan juga memastikan efisiensi bahan bakar. Ini bukan sahaja dapat mengurangkan kos misi individu, tetapi akan memastikan bahawa kapal angkasa robotik (dan bahkan kapal angkasa yang berawak) dapat beroperasi untuk jangka masa yang lama di ruang angkasa tanpa harus mengisi bahan bakar.
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, cabaran ini membawa kepada beberapa konsep yang benar-benar inovatif, salah satunya baru dibina dan diuji buat pertama kalinya oleh pasukan ESA. Konsep enjin ini terdiri daripada alat pendorong elektrik yang mampu "meraup" molekul udara yang langka dari puncak atmosfera dan menggunakannya sebagai bahan pendorong. Perkembangan ini akan membuka jalan bagi semua jenis satelit yang dapat beroperasi di orbit yang sangat rendah di sekitar planet selama bertahun-tahun pada satu masa.
Konsep penekan pernafasan udara (alias Ram-Electric Propulsion) agak mudah. Ringkasnya, mesin berfungsi berdasarkan prinsip yang sama dengan ramscoop (di mana hidrogen antara bintang dikumpulkan untuk menyediakan bahan bakar) dan enjin ion - di mana zarah yang dikumpulkan dicas dan dikeluarkan. Enjin sedemikian akan menghilangkan propelan di dalam kapal dengan mengambil molekul atmosfera ketika melewati puncak atmosfer planet.
Konsep ini adalah subjek kajian yang berjudul "RAM Electric Propulsion for Low Earth Orbit Operation: An ESA Study", yang dibentangkan pada 30th Electric Electric Propulsion Conference pada tahun 2007. Kajian ini menekankan bagaimana "Satelit orbit Bumi rendah terkena atmosfera seret dan dengan itu jangka hayatnya dibatasi dengan teknologi penggerak semasa dengan jumlah propelan yang dapat mereka bawa untuk mengimbanginya. "
Penulis kajian juga menunjukkan bagaimana satelit yang menggunakan pendorong elektrik impuls spesifik tinggi mampu mengimbangi seretan semasa operasi ketinggian rendah untuk jangka masa yang panjang. Tetapi ketika mereka menyimpulkan, misi semacam itu juga akan terbatas pada jumlah bahan bakar yang dapat dibawa. Ini tentunya berlaku untuk medan Graviti ESA dan satelit pemetaan graviti Ocean Circulation Explorer (GOCE) keadaan stabil,
Walaupun GOCE berada di orbit Bumi selama lebih dari empat tahun dan beroperasi pada ketinggian serendah 250 km (155 mi), misinya berakhir ketika ia menghabiskan bekalan xenon 40 kg (88 lbs) sebagai bahan pendorong. Oleh itu, konsep sistem pendorong elektrik yang menggunakan molekul atmosfera sebagai pendorong juga telah diselidiki. Seperti yang dijelaskan oleh Dr. Louis Walpot dari ESA dalam siaran akhbar ESA:
"Projek ini dimulakan dengan rancangan baru untuk mengumpulkan molekul udara sebagai bahan pendorong dari puncak atmosfer Bumi pada ketinggian sekitar 200 km dengan kecepatan khas 7.8 km / s."
Untuk mengembangkan konsep ini, syarikat aeroangkasa Itali Sitael dan syarikat aeroangkasa Poland QuinteScience bekerjasama untuk membuat reka bentuk pengambilan dan tujahan novel. Walaupun QuinteScience membina asupan yang akan mengumpulkan dan memampatkan zarah atmosfera yang masuk, Sitael mengembangkan dorong dua peringkat yang akan mengecas dan mempercepat zarah-zarah ini untuk menghasilkan tujahan.
Pasukan itu kemudian menjalankan simulasi komputer untuk melihat bagaimana zarah akan bertindak dalam pelbagai pilihan pengambilan. Tetapi pada akhirnya, mereka memilih untuk melakukan ujian latihan untuk melihat sama ada pengambilan dan tujahan gabungan akan berfungsi bersama atau tidak. Untuk melakukan ini, pasukan mengujinya di ruang vakum di salah satu kemudahan ujian Sitael. Ruang mensimulasikan lingkungan pada ketinggian 200 km sementara "penjana aliran zarah" menyediakan molekul berkelajuan tinggi yang akan datang.
Untuk memberikan ujian yang lebih lengkap dan memastikan pendorong berfungsi dalam lingkungan tekanan rendah, tim memulai dengan menyalakannya dengan bahan pendorong xenon. Walpot menjelaskan:
"Daripada hanya mengukur ketumpatan yang dihasilkan pada pengumpul untuk memeriksa reka bentuk pengambilan, kami memutuskan untuk memasang pendorong elektrik. Dengan cara ini, kami membuktikan bahawa kami memang dapat mengumpulkan dan memampatkan molekul udara ke tahap di mana pencucuhan tujahan dapat terjadi, dan mengukur daya tuju sebenarnya. Pada mulanya kami memeriksa pendorong kami dapat dinyalakan berulang kali dengan xenon yang terkumpul dari penjana rasuk zarah. "
Sebagai langkah seterusnya, pasukan ini sebahagiannya menggantikan xenon dengan campuran udara nitrogen-oksigen untuk mensimulasikan atmosfera bumi. Seperti yang diharapkan, mesin terus menyala, dan satu-satunya perkara yang berubah adalah warna tujahan.
"Ketika warna biru dari plum mesin berbasis xenon berubah menjadi ungu, kami tahu kami akan berjaya," kata Dr. Walpot. "Sistem ini akhirnya dinyalakan berulang kali hanya dengan pendorong atmosfera untuk membuktikan kemungkinan konsep itu. Hasil ini bermaksud pendorong elektrik yang menghirup udara bukan lagi sekadar teori tetapi konsep yang nyata dan nyata, siap dikembangkan, untuk dijadikan satu hari sebagai asas misi baru. ”
Perkembangan pendorong elektrik yang menghirup udara dapat memungkinkan kelas satelit yang sama sekali baru yang dapat beroperasi dengan pinggiran atmosfer Mars, Titan dan badan-badan lain selama bertahun-tahun. Dengan jangka hayat operasi seperti ini, satelit ini dapat mengumpulkan banyak data mengenai keadaan meteorologi badan ini, perubahan musiman, dan sejarah iklim mereka.
Satelit seperti itu juga akan sangat berguna ketika melihat Bumi. Oleh kerana mereka dapat beroperasi pada ketinggian yang lebih rendah daripada misi sebelumnya, dan tidak akan dibatasi oleh jumlah propelan yang dapat mereka bawa, satelit yang dilengkapi dengan alat pendorong udara dapat beroperasi untuk jangka waktu yang lama. Hasilnya, mereka dapat menawarkan analisis yang lebih mendalam mengenai Perubahan Iklim, dan memantau pola meteorologi, perubahan geologi, dan bencana alam dengan lebih dekat.
