Động cơ vệ tinh có thể dùng khí quyển Trái Đất làm nhiên liệu -

Một loại động cơ vệ tinh sử dụng các phân tử khí quyển làm nhiên liệu đã cho kết quả khả quan trong thử nghiệm phòng thí nghiệm và mô phỏng, mở ra khả năng giúp vệ tinh hoạt động lâu dài ở quỹ đạo Trái Đất tầm rất thấp (VLEO) mà không cần mang theo nhiên liệu đẩy thông thường. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn chưa được thử nghiệm trong một sứ mệnh thực tế.
VLEO nằm ở độ cao khoảng 100–450 km, thấp hơn đáng kể so với quỹ đạo Trái Đất tầm thấp (LEO) thông thường. Vệ tinh hoạt động ở đây có thể chụp ảnh với độ phân giải cao hơn, trong khi hệ thống liên lạc và radar cần ít năng lượng hơn. Lực cản khí quyển cũng giúp các vệ tinh hết vòng đời nhanh chóng rời khỏi quỹ đạo.
Nhưng lực cản này đồng thời là trở ngại lớn. Ngay cả ở độ cao hàng trăm km, khí quyển vẫn khiến vệ tinh liên tục mất tốc độ. Để duy trì quỹ đạo, vệ tinh phải thường xuyên tạo lực đẩy bằng động cơ, trong khi các hệ thống truyền thống phải mang theo nhiên liệu như xenon.
Trong nghiên cứu tiến sĩ tại Đại học Stuttgart, Francesco Romano đề xuất một cách tiếp cận khác: thu chính các phân tử khí quyển gây lực cản để làm nhiên liệu cho động cơ plasma.
Công nghệ này thuộc nhóm động cơ điện sử dụng khí quyển làm nhiên liệu. Hệ thống thu các phân tử khí cực loãng phía trước tàu vũ trụ, đưa chúng vào động cơ để biến thành plasma rồi phóng ra phía sau, tạo lực đẩy bù lại lực cản khí quyển.
Về lý thuyết, cách này có thể giúp vệ tinh duy trì quỹ đạo trong thời gian không giới hạn mà không phải mang theo nguồn nhiên liệu đẩy lớn. Nhưng để biến ý tưởng thành hệ thống hoạt động ngoài không gian, Romano phải giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật.
Oxy nguyên tử là thách thức lớn
Một trong những vấn đề lớn nhất là oxy nguyên tử (AO). Ở tầng khí quyển trên cao, bức xạ cực tím phân tách phân tử O₂ thành các nguyên tử oxy có tính phản ứng cao. Loại oxy này có khả năng oxy hóa mạnh, gây ăn mòn các điện cực kim loại, lưới gia tốc và cực âm trong các động cơ Hall hoặc động cơ ion.
Đặc biệt, AO có thể làm hỏng cực âm, bộ phận đóng vai trò như “súng electron” để trung hòa điện tích của tàu vũ trụ. Nếu không được trung hòa, tàu có thể tích điện và hút ngược các hạt mang điện, làm mất lực đẩy của động cơ.
Khí quyển ở VLEO cũng thay đổi theo thời gian. Mật độ và thành phần khí phụ thuộc vào chu kỳ ngày đêm, vĩ độ và hoạt động của Mặt Trời. Vì vậy, động cơ phải có khả năng hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện khác nhau.
Dùng bề mặt phản xạ để thu khí
Để giải quyết bài toán thu khí, Romano thử nghiệm ba thiết kế. Thiết kế đầu tiên là một dạng “phễu tăng cường”, hoạt động như bẫy phân tử để thu các hạt khí vốn cách nhau rất xa. Thiết kế thứ hai là bộ thu khuếch tán dạng lục giác nhỏ gọn làm từ hợp kim titan phủ lớp bảo vệ.
Thiết kế thứ ba, được gọi là bộ thu phản xạ, sử dụng một bề mặt hình parabol phủ graphite hoặc silicon dioxide để phản xạ các phân tử khí trực tiếp vào động cơ. Đây là thiết kế cho kết quả tốt nhất về cả hiệu suất thu khí và khả năng duy trì hiệu quả khi bị lệch hướng. Trong thử nghiệm với oxy nguyên tử, argon hoặc nitơ, bộ thu phản xạ thu được khoảng 94,3% số hạt khí. Khi bị nghiêng 15 độ, hiệu suất chỉ giảm khoảng 8%.
Động cơ plasma không cần bộ trung hòa
Đối với phần động cơ, Romano sử dụng ăng-ten dạng lồng chim, tương tự loại được dùng trong máy chụp cộng hưởng từ (MRI). Thiết kế này giúp khoảng 99% công suất điện đưa vào được truyền tới động cơ, cao hơn các cuộn dây thông thường vốn làm thất thoát một phần năng lượng.
Một cuộn dây điện từ bao quanh động cơ tạo ra từ trường, đẩy plasma ra phía sau thành một luồng gần như trung hòa về điện. Vì cả ion dương và ion âm đều được phóng ra, hệ thống không cần thêm bộ trung hòa riêng.
Trong thử nghiệm, Romano sử dụng buồng chân không để mô phỏng mật độ của ba loại khí chủ yếu mà động cơ có thể gặp ở VLEO. Động cơ tạo ra dòng plasma ổn định với công suất tần số vô tuyến chỉ 50–60 watt, nằm trong khả năng cung cấp của các tấm pin Mặt Trời trên tàu vũ trụ.
Khả năng duy trì quỹ đạo vô thời hạn
Sau các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, Romano sử dụng mô hình động cơ để đánh giá một số tình huống sử dụng thực tế, trong đó có vệ tinh GOCE của Cơ quan Vũ trụ châu Âu. GOCE từng hoạt động ở VLEO bằng động cơ ion sử dụng xenon nhưng cuối cùng phải kết thúc sứ mệnh sau khi cạn nhiên liệu.
Theo các tính toán trong luận án, động cơ mới có thể duy trì hoạt động vô thời hạn ở độ cao 190–250 km với công suất dưới 1,6 kW, vẫn trong khả năng cung cấp của các tấm pin Mặt Trời trên tàu vũ trụ.
Công nghệ này cũng có thể được áp dụng ngoài Trái Đất. Bầu khí quyển Sao Hỏa chủ yếu gồm CO₂ và theo các tính toán của Romano, động cơ có thể giúp tàu vũ trụ duy trì quỹ đạo vô thời hạn ở độ cao 120–160 km, gần bề mặt Sao Hỏa hơn đáng kể so với các vệ tinh hiện nay.
Dù vậy, đây vẫn mới là kết quả từ thử nghiệm và mô phỏng. Động cơ chưa được đưa lên quỹ đạo, nên khả năng hoạt động lâu dài trong môi trường thực tế, hiệu suất cũng như độ bền của các bộ phận vẫn cần được kiểm chứng.
Nếu vượt qua được những thách thức này, động cơ sử dụng khí quyển làm nhiên liệu có thể mở ra một phương án mới cho các vệ tinh hoạt động lâu dài ở VLEO, nơi lực cản khí quyển vốn là trở ngại lớn nhất đối với việc duy trì quỹ đạo.