Новый микродвигатель, построенный на основе ионной технологии, может позволить создание эффективных микроспутников, которые в течение последних лет обещают существенно снизить стоимость исследования космоса.
Ионные двигатели являются новостью с внушительной бородой, ведь их использованию в космических полетах скоро исполнится пятьдесят лет. Вместе с тем, до недавнего времени, главным их предназначением было осуществление маневров на околоземной орбите. И, несмотря на то, что самый быстрый космический аппарат Dawn приводится в движение за счет работы трех ионных двигателей, их главной проблемой считается малая тяговая эффективность.
В то же время, когда речь заходит о малых спутников, масса которых крайне мала, использование ионных двигателей может стать весьма эффективным. В Федеральной политехнической школе Лозанны, расположенной в Швейцарии, был разработан ионный двигатель, способный доставить килограммовый спутник объемом в кубический дециметр и массой в один килограмм с околоземной орбиты на Луну. Примечательно, что вес двигательной установки вместе с контролирующими электронными системами составляет всего двести граммов. В условиях столь малого космического аппарата небольшой тяги двигателя будет достаточно для быстрых его перемещений в космическом пространстве.
Сборка ключевых узлов микродвигателя осуществляется с использованием метода фотолитографии, который получил применение в изготовлении электроники. Ясное дело, при конвейерном производстве, стоимость готовых деталей стремительно снизится. Основным назначением разрабатываемой двигательной установки является разгон космических аппаратов с низких околоземных орбит для выхода на лунную или геостационарную орбиты, а также, в перспективе, отправка космических аппаратов к различным объектам Солнечной системы.
Для осуществления выброса ионов, двигатель оборудован кремниевыми микросоплами, которые сгруппированы в уникальную тяговую матрицу, содержащую тысячу сопел на сантиметр квадратный площади. Вначале ионную жидкость (1-этил-3-метилимидазолий тетрафтроборат) под действием капиллярной силы без использования насоса направляют из небольшого топливного бака в специальные трубопроводы малого диаметра, соединенные с соплами. В соплах ионы топливной жидкости подвергаются разгону при помощи электрода, находящегося под напряжением свыше тысячи вольт. Каждую секунду электрическое поле на электроде меняет полярность на противоположную, что позволяет разгонять как отрицательные, так и положительные ионы.
Протестирована новая двигательная установка будет на швейцарском спутнике CleanSpace One, назначением которого является однократное задание по удалению с орбиты планеты недееспособного космического аппарата, являющегося мусором. Швейцарское космическое агенство надеется что по их примеру другие космические державы предпримут меры по ликвидации собственного мусора на орбите Земли. Также планируется оснащения новыми двигателями микроспутников европейской программы OLFAR.
Стоит также отметить, что потенциал применения нового миниатюрного ионного двигателя намного шире. Благодаря использованию фотолитографирования как основного производственного процесса, устройство может массово изготавливаться, а модульная конструкция делает возможным соединение небольших двигателей в мощные блоки. Представленная модель обеспечивает ускорение в 0.1 мм/с² для космического аппарата обладающего массой 1 килограмм. Таким образом, для обеспечения разгона со скорости двадцати четырех тысяч километров в час, придаваемой спутнику химической ракетой при выходе на орбиту, до сорока двух километров в час, двигательная установка должна будет непрерывно работать на протяжении шести месяцев. Для этого потребуется четыре вата мощности, для обеспечения которой вполне будет достаточно микроскопических фотоэлектрических элементов миниатюрного спутника, а также сто миллилитров топлива, то есть меньше половины стакана. Тысяча подобных установок сможет обеспечить сопоставимый разгон тысяча килограммовому космическому аппарату, израсходуя при этом всего сто литров жидкого ионного топлива. Для того, чтобы долететь до Титана, Марса или же любой точки Солнечной системы, сегодня необходимо намного меньше топлива, чем ранее. Таким образом, стоимость отправки космических аппаратов в удаленные участки солнечной системы будет слабо отличаться от стоимости отправки аппарата на МКС, потребуется только масштабирование установки.
Новые перспективы открываются также и в случае с орбитальными спутниками. С использованием данной двигательной установки, активное маневрирование и переход на различные орбиты станет возможным для малых орбитальных спутников, что позволит осуществлять запуск сразу нескольких малых космических аппаратов с использованием одной ракеты-носителя. Впоследствии каждый из спутников может выйти на запланированную орбиту как в непосредственной близости от Земли, так и на удалении от нее.{odnaknopka}