Инженеры работают над принципиально новым двигателем для космических аппаратов. Устройство захватывает редкие атомы воздуха и использует их для создания реактивной струи. Новшество значительно продлит срок жизни спутников, наблюдающих за Землей. В перспективе эту технологию можно будет применить и на других планетах.
Бесконечное падение
Движение спутника по орбите — это фактически свободное падение. Образно говоря, аппарат все время пытается упасть на Землю, но промахивается. Дело в скорости спутника: направление на центр планеты меняется слишком быстро, так что падение превращается в движение по кругу (точнее, по эллипсу). Для такого движения не нужен двигатель. Теоретически спутник, предоставленный сам себе, будет обращаться по орбите вечно.
На практике все, как водится, намного сложнее. Даже на геостационарной орбите (36 000 км над Землей) притяжение Луны и Солнца постепенно меняет траекторию аппарата. Что еще важнее, оно может развернуть спутник антенной от Земли, оставив его без связи. Чтобы компенсировать эти возмущения, нужны двигатели и топливо, которое не бесконечно. До недавнего времени спутники стоимостью в сотни миллионов долларов просто выводили из эксплуатации, как только горючее иссякало. Ситуация начала меняться в 2020 году с запуском первого космического буксира MEV от компании SpaceLogistics. Он стыкуется со спутником (что нетривиально само по себе: на спутниках обычно нет никаких узлов для стыковки) и берет на себя заботу о его орбите и ориентации.
Опасная близость
Еще сложнее выжить ниже 450 км над Землей, на очень низких околоземных орбитах (ОНОО). Формальная граница космоса — 100 км над уровнем моря, так что эти орбиты, безусловно, космические. Но здесь уже присутствует воздух, хотя и очень разреженный. Сопротивление остатков атмосферы постепенно тормозит космический аппарат. Ему уже не хватает скорости, чтобы удерживаться на исходной орбите, и он переходит на более низкую. Но там воздух еще гуще, так что процесс повторяется. Эллипс превращается в спираль, по которой спутник все быстрее приближается к Земле, пока не сгорит в плотных слоях атмосферы.
Чтобы аппарат не попал в этот самоубийственный цикл, постепенное снижение нужно компенсировать. Хорошим примером служит МКС, кружащая примерно в 400 км над планетой. Ее орбиту регулярно поднимают с помощью пристыкованных грузовых кораблей, иначе станция давно упала бы на Землю.
Но что дозволено орбитальному форпосту человечества, то не дозволено рядовому необитаемому спутнику. Постоянные запуски космических буксиров для них будут нерентабельны. Поэтому на ОНОО очень мало аппаратов. Даже спутники, наблюдающие за Землей, запускаются обычно на высоты 550–700 км. Между тем это ухудшает качество данных — с большого расстояния планету банально хуже видно.
Электрическая сила
Эту проблему можно решить, если заставить сам воздух работать на поддержание орбиты. Поясним, о чем речь.
Реактивный двигатель работает за счет струи вещества (так называемого рабочего тела), вырывающейся из его сопла. Законы физики толкают аппарат в сторону, противоположную движению струи. Традиционные двигатели — химические. Их рабочее тело — раскаленные газы, образующиеся при сгорании топлива. Проблема в том, что горючее быстро заканчивается.
Уже несколько десятилетий на орбите применяются ионные двигатели. Рабочим телом для них служат ионы газа (обычно ксенона), которые ускоряются электрическим полем. Ионный двигатель создает куда большую тягу на килограмм рабочего тела, чем химический. Впрочем, тяга на единицу времени оказывается малой, поскольку солнечные батареи обеспечивают лишь несколько киловатт электричества. Другими словами, такие двигатели экономичны, но маломощны. Поэтому они используются только на небольших аппаратах и для малых коррекций траектории.
Кроме того, запасы ксенона на борту тоже рано или поздно заканчиваются. А на очень низкой орбите, корректировать которую нужно постоянно, они закончатся скорее рано, чем поздно. К примеру, европейскому спутнику GOCE, летавшему на высоте 250 км, 40-килограммовых запасов ксенона хватило лишь на четыре года.
Превратить врага в друга
Что, если использовать в качестве рабочего тела сам воздух, окружающий спутник на ОНОО? Он-то никогда не закончится. Изящное решение: раз атмосфера портит спутнику орбиту, пусть она сама же и исправляет ситуацию.
Такую возможность исследуют несколько научных групп в Европе, США и Японии. Видимо, дальше всех продвинулся проект DISCOVERER. Это слово, означающее «первооткрыватель» — аббревиатура от словосочетания DISruptive teChnOlogies for VERy low Earth oRbit platforms, что можно перевести как «революционные технологии для платформы на очень низкой околоземной орбите». Проект, возглавляемый Манчестерским университетом, стартовал в 2017 году и получил от Европейского союза €5,7 млн. В 2018 году разработчики впервые испытали прототип двигателя на Земле.
Недавно инженеры из семи европейских стран опубликовали препринт научной статьи, в которой оценили перспективы воздушно-ионного двигателя. По их расчетам, он сможет удерживать аппараты на высоте от 180 до 250 км над Землей. Поскольку энергией установку снабдит Солнце, а рабочим телом — атмосфера, время работы спутника будет ограничено только его износом. Вполне можно рассчитывать на долгие годы службы, хотя встречающийся на этой высоте атомарный кислород — очень разреженный, но и очень химически агрессивный — рано или поздно сделает свое дело.
Над Марсом с его низкой гравитацией можно будет летать еще ниже — от 130 до 160 км. Более того, над Марсом новые аппараты смогут играть роль космических буксиров, подобных опробованным на геостационарной орбите MVE. Правда, пока там витает не так много спутников, чтобы подобная услуга была востребована. Но если человечество возьмется всерьез осваивать соседнюю планету, эта возможность пригодится.
Впрочем, у конструкторов впереди много работы. Пока в космос еще не отправился ни один аппарат с воздушно-ионным двигателем. Но если новинка взлетит в прямом и переносном смысле, это станет важным шагом в превращении космоса из фронтира, где не считаются с затратами, в освоенное пространство с разумной логистикой. На ту же цель работают орбитальные буксиры, многоразовые ракеты и проекты по уборке космического мусора.