Plasmamotor tankt zijn eigen brandstof uit de ijle buitenlucht

Waarom een lage baan zo aantrekkelijk is

Satellieten in een baan tussen 100 en 450 kilometer hoogte, de zogeheten very low Earth orbit (VLEO), leveren scherpere camerabeelden en hebben minder zendvermogen nodig voor communicatie en radar. Bovendien verdwijnt uitgediende apparatuur hier vanzelf: de atmosferische weerstand trekt oude satellieten binnen enkele jaren de dampkring in, in plaats van dat ze eeuwenlang als ruimteschroot blijven zweven. Dat voordeel is meteen ook het probleem: dezelfde weerstand duwt een satelliet voortdurend omlaag, waardoor hij bijna continu moet bijsturen. Traditionele elektrische motoren gebruiken daarvoor een kostbaar gas als xenon, dat op den duur opraakt en de missie beëindigt.

Francesco Romano onderzocht tijdens zijn promotieonderzoek aan de Universität Stuttgart een alternatief: gebruik de luchtmoleculen die de weerstand veroorzaken zelf als brandstof. Dit idee staat bekend als atmosphere-breathing electric propulsion. Een intake vangt voor de satelliet ijle gasdeeltjes op en voert ze naar een plasmastuwraket, die het gas ioniseert en met hoge snelheid naar achteren afvuurt.

Bijtend zuurstof en een wisselvallige atmosfeer

De grootste hindernis is atomaire zuurstof. Op deze hoogte splitst uv-straling zuurstofmoleculen in losse atomen die extreem reactief zijn. Atomaire zuurstof vreet metalen elektroden en versnellingsroosters aan, en tast ook de kathode aan die normaal gesproken de lading van een ionenmotor neutraliseert. Zonder die neutralisatie zou de satelliet zelf elektrisch opladen en de uitgestoten deeltjes weer naar zich toe trekken, waardoor de stuwkracht verdwijnt. Ook de dichtheid en samenstelling van de atmosfeer wisselen voortdurend met dag en nacht, breedtegraad en zonneactiviteit, wat een motor dwingt om onder sterk uiteenlopende omstandigheden te blijven werken.

Romano loste dit op met een contactloze radiofrequentie-motor die geen kwetsbare kathode nodig heeft. Voor de luchtinname testte hij drie ontwerpen; een parabolische spiegel die deeltjes rechtstreeks de motor injaagt, bleek het beste te werken. In windtunneltests ving deze specular intake 94,3 procent van de binnenkomende deeltjes op, en verloor slechts 8 procent efficiëntie bij een kanteling van 15 graden. Voor de motor zelf liet Romano zich inspireren door de antennes in MRI-scanners: met een zogeheten vogelkooiantenne bereikte hij dat 99 procent van het elektrische vermogen daadwerkelijk in de plasmastraal terechtkwam, veel meer dan bij gangbare spoelen.

Getest in het lab, doorgerekend voor echte missies

In een vacuümkamer wekte de motor met slechts 50 tot 60 watt aan radiofrequent vermogen een stabiele plasmastraal op, ruim binnen het bereik van gewone satellietzonnepanelen. Op basis van deze metingen berekende Romano dat het systeem een satelliet op 190 tot 250 kilometer hoogte in een lage baan om de aarde kan houden met minder dan 1,6 kilowatt, zonder ooit brandstof te hoeven bijvullen. Hij paste zijn model ook toe op de Europese GOCE-missie, die destijds strandde toen de xenonvoorraad opraakte, en op Mars, waar de kooldioxide-atmosfeer een vergelijkbare motor op 120 tot 160 kilometer hoogte zou kunnen voeden.

Romano's werk is vooralsnog labonderzoek en geen kant-en-klaar ruimtevaartuig. Maar het laat zien dat satellieten in de toekomst mogelijk jarenlang kunnen blijven vliegen op niets meer dan de lucht die ze toch al tegenhoudt.