Выбор орбиты для спутника всегда связан с компромиссами. У очень низкой околоземной орбиты (VLEO) высотой от 100 до 450 километров есть заметные преимущества: камеры дистанционного зондирования получают более качественные снимки, для связи и радаров требуется меньше энергии, а атмосферное сопротивление автоматически уводит с орбиты отслужившие аппараты. Однако есть и цена: из-за трения о воздух спутнику на такой орбите приходится почти постоянно работать двигателем, а для этого нужны дорогие газы вроде ксенона. В рамках работы над диссертацией в Штутгартском университете, доступной на платформе arXiv, Франческо Романо решил использовать для топлива сами молекулы воздуха, вызывающие трение, чтобы плазменный двигатель мог неограниченно долго удерживать спутники на орбите VLEO.
Предложенное решение относится к классу систем атмосферно-дыхательного электроракетного двигателя (ABEP). Такие системы забирают разреженный воздух перед аппаратом и направляют его в электрический двигатель, где молекулы превращаются в плазму, которая выбрасывается назад, создавая тягу. В теории это объясняется просто, но на практике приходится решать несколько сложных технических задач.
Первая из них связана с атомарным кислородом. В верхних слоях атмосферы ультрафиолетовое излучение расщепляет молекулы O2 на агрессивную одноатомную форму газа. Атомарный кислород отличается высокой окисляющей способностью: он разъедает металлические электроды, ускоряющие сетки и даже катоды, применяемые в стандартных холловских двигателях и других типах ионных двигателей. Особенно важно то, что атомарный кислород разрушает катоды «электронной пушки», которая нейтрализует заряд аппарата, чтобы тот не притягивал обратно заряженные частицы и не сводил тягу к нулю. Без этой функции вся ионная двигательная установка перестаёт работать.
Ещё одна сложность при создании двигателей для VLEO — изменчивость самой атмосферы. Она меняется в зависимости от смены дня и ночи, широты и даже солнечной активности. Обеспечить непрерывную работу двигателя во всех этих условиях до сих пор было трудно. Для решения этих проблем Романо разработал бесконтактный радиочастотный (RF) плазменный двигатель типа геликон с нейтрализатором и дополнил его оптимизированной системой забора атмосферного воздуха. Сначала он испытал три варианта воздухозаборника: «улучшенную воронкообразную конструкцию», действующую как молекулярная ловушка для частиц, которые находятся слишком далеко друг от друга; «диффузный заборник» компактной шестиугольной формы из титанового сплава с покрытием; и «зеркальный заборник» — параболическое зеркало с покрытием из графита или диоксида кремния, направляющее частицы прямо в двигатель. Победителем по эффективности сбора и чувствительности к выравниванию стал зеркальный вариант: он собирал около 94,3% частиц воздуха (в аэродинамической трубе использовались атомарный кислород, аргон или азот), а при наклоне на 15 градусов эффективность падала лишь на 8%.
При проектировании двигателя Романо вдохновился медицинским оборудованием. Использовав антенну типа birdcage (птичья клетка), похожую на применяемые в МРТ, он добился того, что 99% подводимой электрической мощности попадало в двигатель — чрезвычайно высокий показатель по сравнению со стандартными проволочными катушками, которые теряют часть энергии из-за собственного реактивного сопротивления. Соленоид вокруг двигателя создаёт магнитное поле, которое выбрасывает плазму назад в виде квазинейтральной струи: наружу выводятся и положительные, и отрицательные ионы, поэтому нейтрализатор не нужен. Испытания подтвердили надёжность системы. В вакуумной камере Романо искусственно воссоздал концентрацию трёх основных газов, с которыми двигатель столкнётся на высоте VLEO. Двигатель создавал устойчивые потоки плазмы при радиочастотной мощности всего 50–60 ватт, что вполне по силам традиционным солнечным панелям космических аппаратов.
После экспериментальной проверки он применил модели двигательной установки к реальным сценариям, включая спутник GOCE, который был запущен на орбиту VLEO с ксеноновым ионным двигателем и в итоге исчерпал топливо. Согласно расчётам диссертации, новый двигатель мог бы работать неограниченно долго на высоте от 190 до 250 километров, потребляя менее 1,6 киловатта — это по-прежнему укладывается в возможности стандартных солнечных панелей. Сфера применения не ограничивается Землёй: атмосфера Марса состоит в основном из CO2, и, по данным работы, двигатель мог бы поддерживать аппарат над Красной планетой на высоте 120–160 километров, то есть значительно ближе, чем существующие орбитальные спутники. Гарантий, что этот двигатель когда-либо выйдет за пределы лаборатории, нет, но идея выглядит перспективной, и у неё есть немало потенциальных коммерческих применений, если удастся снизить риски и доказать работоспособность в реальной миссии.