چین با موتور «تنفس هوا» مشکل ۶۰ ساله سوخت در مدار بسیار پایین زمین (VLEO) را حل کرد؛ امکان استقرار دائمی مجموعه‌های ماهواره‌ای

برای بیش از شش دهه، مهندسان هوافضا لبه جو زمین را به عنوان یک منطقه ممنوعه در نظر گرفته‌اند. منطقه‌ای که به عنوان مدار بسیار پایین زمین (VLEO) شناخته می‌شود و ارتفاعاتی بین ۱۵۰ تا ۳۰۰ کیلومتر را در بر می‌گیرد، مزایای وسوسه‌انگیزی برای ماهواره‌ها دارد، اما با یک نقص مهلک همراه است: کشش جوی.

در این ارتفاعات، هوای باقیمانده به اندازه‌ای غلیظ است که فضاپیما را ظرف چند هفته به سمت زمین می‌کشد، مگر اینکه به طور مداوم پیشرانه‌های خود را شلیک کند. اکنون، محققان آکادمی علوم چین این مشکل دقیق را به یک راه‌حل تبدیل کرده‌اند و با موفقیت موتوری را به نمایش گذاشتند که از همان جوی که فضاپیما را به پایین می‌کشد، به عنوان منبع نامحدود سوخت استفاده می‌کند.

این فناوری که به عنوان پیشرانه الکتریکی با تنفس هوا (ABEP) شناخته می‌شود، اساساً اقتصاد و فیزیک طراحی ماهواره را بازنویسی می‌کند. ماهواره‌های سنتی باید تمام پیشران شیمیایی یا گاز زنونی را که برای حفظ مدار خود نیاز دارند، حمل کنند.

هنگامی که آن مخزن خالی شود، مأموریت ماهواره به پایان می‌رسد، صرف نظر از اینکه آیا رایانه‌ها و دوربین‌های آن هنوز کاملاً کار می‌کنند یا خیر. با حذف نیاز به پیشران داخلی، ABEP به ماهواره‌ها اجازه می‌دهد تا از نظر تئوری به طور نامحدود در VLEO باقی بمانند و تنها محدود به طول عمر پنل‌های خورشیدی و الکترونیک داخلی خود باشند.[3]

مکانیسم پشت این پیشرفت به یک سیستم ورودی تخصصی متکی است که مولکول‌های پراکنده اکسیژن اتمی و نیتروژن موجود در جو فوقانی را جمع‌آوری می‌کند. همانطور که ماهواره با سرعت‌های مداری تقریباً ۷.۸ کیلومتر در ثانیه به جلو می‌تازد، این مولکول‌ها به زور وارد یک محفظه فشرده‌سازی می‌شوند. از آنجا، سیستم از برق تولید شده توسط پنل‌های خورشیدی ماهواره برای یونیزه کردن گاز جمع‌آوری شده استفاده می‌کند و با جدا کردن الکترون‌ها، پلاسما ایجاد می‌کند.[1]

هنگامی که گاز یونیزه شد، موتور تقریباً مانند یک پیشرانه یونی استاندارد با اثر هال یا شبکه‌ای عمل می‌کند. میدان‌های الکترومغناطیسی قدرتمند، پلاسما را با سرعت‌های فوق‌العاده از پشت موتور به بیرون پرتاب می‌کنند و نیروی رانش ایجاد می‌کنند. از آنجایی که جرم خارج شده مستقیماً از محیط برداشت می‌شود، ماهواره هرگز با کمبود «جرم واکنش» مواجه نمی‌شود. این معادل مداری یک موتور جت است، اما در محیطی نزدیک به خلأ کار می‌کند که احتراق سنتی در آن غیرممکن است.[1][3]

مزایای فعالیت در VLEO، به ویژه برای رصد زمین و مخابرات، حیرت‌آور است. از آنجایی که یک ماهواره در ارتفاع ۲۰۰ کیلومتری کمتر از نصف فاصله یک ماهواره استاندارد استارلینک از زمین قرار دارد، وضوح تصویربرداری نوری و راداری آن به صورت تصاعدی بالاتر است.

دوربینی که می‌تواند یک خودرو را از فاصله ۵۰۰ کیلومتری تشخیص دهد، می‌تواند با استفاده از همان اپتیک، پلاک خودرو را از فاصله ۲۰۰ کیلومتری تشخیص دهد. علاوه بر این، تأخیر ارتباطی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و اتصال واقعی 6G بلادرنگ از فضا را ممکن می‌سازد.

شاید عمیق‌ترین تأثیر فناوری ABEP، راه‌حل ذاتی آن برای بحران فزاینده زباله‌های فضایی باشد. سندرم کسلر – یک سناریوی نظری که در آن برخوردهای آبشاری، مدار پایین زمین را غیرقابل استفاده می‌کند – ناشی از ماهواره‌های مرده‌ای است که برای دهه‌ها یا قرن‌ها در ارتفاعات بالاتر باقی می‌مانند.

در VLEO، محیط خودتمیزشونده است. اگر یک ماهواره ABEP دچار نقص بحرانی شود و برق خود را از دست بدهد، موتور آن متوقف می‌شود و کشش جوی به طور طبیعی آن را به سمت پایین می‌کشد تا ظرف چند روز یا چند هفته به طور بی‌خطر در جو بسوزد.[2][3]

در حالی که مفهوم پیشرانه الکتریکی با تنفس هوا از دهه ۱۹۶۰ وجود داشته است، تبدیل آن به واقعیت مستلزم غلبه بر موانع مهندسی عظیمی بود. آژانس فضایی اروپا (ESA) و ابتکارات مختلف دفاعی ایالات متحده، از جمله دارپا (DARPA)، در طول دهه گذشته تحقیقات گسترده‌ای را در مورد ABEP تأمین مالی کرده‌اند.

ESA با موفقیت یک نمونه اولیه را در سال ۲۰۱۷ در یک محفظه خلأ آزمایش کرد و ثابت کرد که فیزیک آن درست است، اما انتقال از یک محیط آزمایشگاهی کنترل شده به پرواز مداری پایدار، همچنان دست‌نیافتنی باقی مانده بود.[2]

جهش رو به جلوی چین ناشی از حل دو مشکل حیاتی و به هم پیوسته است: تخریب مواد و «پارادوکس پنل خورشیدی». محیط VLEO سرشار از اکسیژن اتمی است – اتم‌های منفرد اکسیژن بسیار واکنش‌پذیر که به شدت مواد استاندارد فضاپیما را فرسایش می‌دهند. آکادمی علوم چین یک کامپوزیت جدید با ماتریس سرامیکی برای ورودی موتور توسعه داد که می‌تواند در برابر بمباران مداوم اکسیژن اتمی بدون تخریب مقاومت کند و تضمین می‌کند که موتور می‌تواند سال‌ها دوام بیاورد.

پارادوکس پنل خورشیدی یک چالش آیرودینامیکی حتی پیچیده‌تر را مطرح می‌کند. برای یونیزه کردن هوای ورودی و شتاب دادن به آن، موتور به مقدار قابل توجهی برق نیاز دارد. تولید این برق مستلزم پنل‌های خورشیدی بزرگ است.

با این حال، در محیط پرکشش VLEO، پنل‌های خورشیدی بزرگ مانند بادبان عمل می‌کنند و مقاومت آیرودینامیکی بیشتری نسبت به نیروی رانشی که موتور می‌تواند ایجاد کند، ایجاد می‌کنند. این یک چرخه معیوب است که در آن برق بیشتر به مساحت بیشتر نیاز دارد، که کشش بیشتری ایجاد می‌کند، که به نوبه خود به برق بیشتری نیاز دارد.[1][3]

برای شکستن این چرخه، تیم چینی از آرایه‌های خورشیدی انعطاف‌پذیر و با بازده فوق‌العاده بالا استفاده کرد که به جای باز شدن به صورت بال‌های بزرگ و مسطح، با نمای آیرودینامیکی خود ماهواره مطابقت دارند.

این امر، همراه با طراحی ورودی که گاز ورودی را به طور غیرفعال و با فشار برگشتی تقریباً صفر فشرده می‌کند، در نهایت باعث شد که سیستم در شرایط پرواز واقعی به نسبت رانش به کشش مثبت دست یابد. موتور کمی بیشتر از مقاومتی که جو اعمال می‌کند، حرکت رو به جلو تولید می‌کند و به ماهواره اجازه می‌دهد ارتفاع خود را به طور نامحدود حفظ کند.[1]

تأیید موفقیت‌آمیز در مدار، نقطه شروعی برای عصر جدیدی از معماری ماهواره‌ای است. شرکت‌های فضایی تجاری در حال حاضر در حال طراحی مجدد مجموعه‌های آینده خود هستند تا از مزایای رژیم VLEO بهره ببرند. با حذف مخازن سوخت سنگین از طراحی، ماهواره‌ها می‌توانند به طور قابل توجهی کوچک‌تر و سبک‌تر ساخته شوند، که به وسایل پرتاب اجازه می‌دهد ده‌ها یا صدها ماهواره بیشتر را در هر پرواز حمل کنند و هزینه استقرار شبکه‌های جهانی را به شدت کاهش دهند.[3]

در حالی که نمایش فعلی یک گام بزرگ است، مقیاس‌بندی این فناوری برای تولید انبوه همچنان مرز بعدی است. طول عمر دقیق محفظه یونیزاسیون تحت عملیات مداوم در محیط خشن VLEO هنوز در حال نظارت است و عملکرد سیستم در دوره‌های اوج شدید خورشیدی – زمانی که جو زمین منبسط می‌شود و کشش به طور غیرقابل پیش‌بینی افزایش می‌یابد – یک آزمون حیاتی برای انعطاف‌پذیری آن خواهد بود.[1]

با وجود این اصلاحات مهندسی باقی‌مانده، فیزیک بنیادی پیشرانه مداوم با تنفس هوا اکنون در فضا تأیید شده است. مانع ۶۰ ساله‌ای که از عملیات دائمی در پایین‌ترین محدوده‌های مدار جلوگیری می‌کرد، شکسته شده است.[3]

در حالی که ملت‌ها و شرکت‌ها برای ایجاد نسل بعدی زیرساخت‌های مداری رقابت می‌کنند، توانایی موج‌سواری در لبه جو با منبع سوخت نامحدود احتمالاً به فناوری تعیین‌کننده اواخر دهه ۲۰۲۰ تبدیل خواهد شد. آسمان دیگر مرزی برای فرار نیست، بلکه منبعی است که باید مهار شود.[3]