اولین پیشران ماهواره‌ای تنفس‌کننده هوا برای آزمایش آماده می‌شود؛ گشایش مدار بسیار پایین زمین

تصور رایج از پرواز فضایی این است که وقتی ماهواره‌ای به مدار می‌رسد، بدون زحمت در خلأ کامل شناور می‌شود. واقعیت بسیار خشن‌تر است. در مدار پایین زمین (LEO)، فضاپیماها دائماً در ترموسفر رقیق اما پایداری حرکت می‌کنند و در معرض کشش آیرودینامیکی قرار می‌گیرند که به طور پیوسته از تکانه آنها می‌کاهد.[1]

برای جلوگیری از سقوط مجدد به زمین، ماهواره‌های سنتی باید مخازن سنگین سوخت شیمیایی یا گاز زنون را حمل کنند تا به صورت دوره‌ای ارتفاع خود را افزایش دهند. این امر یک محدودیت فیزیکی سخت بر طول عمر مأموریت ایجاد می‌کند: لحظه‌ای که سوخت ذخیره‌شده فضاپیما تمام می‌شود، عمر عملیاتی آن عملاً به پایان می‌رسد و جاذبه آن را به سمت خود می‌کشد.[2][3]

یک مأموریت نمایشی مداری جدید قصد دارد این محدودیت را به طور کامل دور بزند. استارتاپ هوافضای اسپانیایی «کریوس اسپیس» با شرکت سازنده لیتوانیایی «کونگزبرگ نانوآویونیکس» قرارداد بسته است تا بدنه ماهواره را برای اولین آزمایش تجاری سیستم پیشرانش الکتریکی تنفس‌کننده هوا (ABEP) در جهان تأمین کند. این مأموریت طراحی شده است تا ثابت کند که یک فضاپیما می‌تواند همان جوی را که باعث کشش می‌شود، جمع‌آوری کرده و از آن به عنوان سوخت نامحدود استفاده کند.[1][4]

این ماهواره نمایشی ۲۰۰ کیلوگرمی بر اساس یک بدنه میکروماهواره اصلاح‌شده NanoAvionics MP42 ساخته خواهد شد. طبق برنامه پروازی، فضاپیما در ارتفاعی بین ۳۰۰ تا ۳۵۰ کیلومتری مستقر می‌شود و به آرامی به سمت پایین حرکت می‌کند و موتور خود را در ارتفاعات مختلف روشن می‌کند تا شرایط جوی را در ناحیه عمدتاً دست‌نخورده مدار بسیار پایین زمین (VLEO) بررسی کند.[1][4]

مکانیک سیستم ABEP تفاوت قابل توجهی با پیشران‌های الکتریکی استاندارد دارد. به جای استفاده از یک مخزن تحت فشار داخلی، این ماهواره دارای یک ورودی تخصصی رو به جلو است که برای جذب مولکول‌های باقیمانده اکسیژن و نیتروژن از جو فوقانی طراحی شده است.[1][2]

پس از جمع‌آوری، این گازهای کمیاب به یک پیشران پلاسمای هلیکون هدایت می‌شوند، جایی که یونیزه شده و با استفاده از یک میدان مغناطیسی سلونوئیدی از قسمت عقب فضاپیما شتاب می‌گیرند. با تولید نیروی رانش مداوم از محیط اطراف، این سیستم از لحاظ نظری به ماهواره اجازه می‌دهد تا ارتفاع ۱۵۰ تا ۳۰۰ کیلومتری را به طور نامحدود حفظ کند، بدون اینکه جریمه جرمی حمل سوخت داخلی خود را متحمل شود.[1][4]

منافع تجاری برای گشایش VLEO قابل توجه است. فعالیت در نزدیکی سطح سیاره مزایای بی‌نظیری برای رصد زمین فراهم می‌کند و به محموله‌های نوری نسبتاً کوچک و ارزان قیمت اجازه می‌دهد تصاویری با وضوح زیر یک متر ثبت کنند که معمولاً در ارتفاعات بالاتر به آینه‌های تلسکوپ بسیار بزرگ نیاز دارند.[1]

برای ارتباطات از راه دور، پرواز در ارتفاع زیر ۳۰۰ کیلومتر به طور چشمگیری تأخیر انتشار سیگنال را کاهش می‌دهد و بودجه پیوند را بهبود می‌بخشد. همچنین یک محیط عملیاتی بکر را ارائه می‌دهد. مدار سنتی LEO به طور فزاینده‌ای شلوغ شده است، به طوری که در حال حاضر بیش از ۱۰,۹۰۰ ماهواره فعال در مدار قرار دارند – که اکثریت قریب به اتفاق آنها متعلق به صورت‌های فلکی بزرگ پهن‌باند هستند. در مقابل، VLEO عملاً خالی است.[1][4]

علاوه بر این، VLEO به طور طبیعی خودتمیزشونده است. اگر ماهواره‌ای در ارتفاع ۲۰۰ کیلومتری از کار بیفتد، کشش جوی آن را ظرف چند هفته به سمت ورود مجدد آتشین می‌کشد و به طور کامل از بحران زباله‌های فضایی که خطوط مداری بالاتر را تهدید می‌کند، جلوگیری می‌نماید.[4]

با وجود وعده‌های بازاریابی در مورد «عملیات پایدار» و طول عمر چند ساله مأموریت، آزمایش آتی اساساً یک دوی سرعت است تا یک ماراتن. از آنجایی که بدنه آماده MP42 از نظر آیرودینامیکی برای کشش شدید VLEO بهینه نشده است، انتظار می‌رود پرواز آزمایشی اولیه تنها شش تا ده ماه دوام بیاورد و سپس تسلیم زوال مداری شود.[1][4]

فعالیت در ترموسفر فوقانی به شدت دشوار است. فضاپیماها با گشتاورهای آیرودینامیکی شدیدی روبرو هستند که می‌تواند باعث چرخش‌های شدید شود و نیاز به اصلاحات سنگین در سیستم‌های کنترل وضعیت و ویژگی‌های جرمی دارد تا فقط ورودی هوا به سمت جلو نگه داشته شود.[2][4]

«کریوس اسپیس» قصد دارد از داده‌های تله‌متری جمع‌آوری شده در طول این فرود کوتاه مدت استفاده کند تا تا سال ۲۰۲۹ یک بدنه ماهواره‌ای کاملاً سفارشی و جبران‌کننده کشش طراحی کند. اگر پیشران تنفس‌کننده هوا در شرایط پرواز واقعی قابل دوام باشد، می‌تواند اقتصاد ماهواره‌ها را به طور اساسی تغییر دهد و هزینه مخازن سوخت سنگین را با چالش مهندسی پرواز آیرودینامیکی در فضا معاوضه کند.[1][4]