A tutto plasma! – Respirando l’alta atmosfera

Il 5 Marzo è stato acceso per la prima volta un propulsore elettrico air breathing, cioè un propulsore elettrico in cui entra una miscela di gas attraverso una presa d’aria che viene spinta nella direzione opposta al moto desiderato, come un qualsiasi propulsore aeronautico.
Abbiamo visto nelle parti I e II di a tutto plasma come alcuni propulsori elettrici, come gli HET vengano usati per correggere l’orbita dei satelliti fin dagli anni 70, e grazie all’elevato Isp garantire al satellite una maggiore autonomia rispetto all’utilizzo di propulsori tradizionali.

Qualsiasi corpo in LEO (Orbita Bassa Terrestre) è soggetto ad un attrito molto esile dovuto ai gas molto rarefatti dell’alta atmosfera. L’attrito diminuisce la velocità del satellite deorbitandolo progressivamente in orbite sempre più basse, come sta avvenendo alla stazione spaziale cinese Tiangong 1. Ad esempio il satellite GOCE dell’ESA, che ha mappato il campo gravitazionale terrestre ha volato intorno ai 250 km d’altitudine (orbita molto bassa) per più di 5 anni grazie ai propulsori elettrici che hanno compensato continuamente l’attrito atmosferico. Dunque il tempo della missione è stato limitato dai 40 kg di xenon usato come propellente.

animazione dei grafici di GOCE, che rappresentano le variazioni (molto piccole) dell’accelerazione gravitazionale rispetto alla sua media normalmente percepita, che nel grafico corrisponderebbe ad una sfera

Questo tipo di propulsori elettrici air-breathing permetterebbe ai satelliti posizionati in LEO , quindi anche se in orbita comunque all’interno dell’atmosfera terrestre, di funzionare per molto più tempo, dato che sfrutterebbero i gas presenti nell’alta atmosfera, molto rarefatti, per eseguire le correzioni necessarie e non dover dipendere da una scorta di propellente a bordo.

descrizione schematica del dispositivo. Fonte

Essenzialmente funzionerebbero come dei ram-jet, di cui abbiamo parlato qui, ovvero dei propulsori aeronautici senza pale od altre parti in movimento, e per questo vengono anche definiti ram-electric propulsion. Ovviamente a differenza dei ramjet tradizionali userebbero magneti ed elettrodi per accelerare il plasma prodotto e come abbiamo visto per gli altri propulsori elettrici offrono una spinta per il momento molto bassa, quindi ancora non sono applicabili per giungere nello spazio da terra.

Il progetto, sostenuto dall’ESA nell’ambito del Programma di Ricerca Tecnologica, è stato realizzato dalla SITAEL, una azienda spaziale privata italiana che ricerca anche nel settore della propulsione elettrica, riproducendo sperimentalmente a seguito di varie simulazioni in laboratorio le condizioni a cui il dispositivo si troverebbe ad operare in orbita a 200 km d’altitudine attraverso un’atmosfera artificiale composta da una miscela di ossigeno ed azoto.

La presa d’aria è stata realizzata dalla azienda polacca QuinteScience, che ha colto la sfida del progettare una presa d’aria che non si limitasse a far rimbalzare all’interno le molecole d’aria ma che fosse in grado di raccogliere e concentrare un flusso di molecole altrimenti rarefatto e ionizzarlo per essere fruibile dal propulsore (sul funzionamento del propulsore riportiamo a questo precedente articolo).

Set-up del dispositivo per il test. A destra si riconosce l’innovativa presa d’aria, a sinistra il propulsore, un Hall Effect Thruster (HET). Fonte

Il sistema è stato testato più volte nelle stesse condizioni, dimostrando di essere operativo.
Questo successo apre nuovi scenari, offrendo un modo diverso di concepire in futuro il lancio di veicoli spaziali sia per l’orbita bassa terrestre ma anche per l’orbita bassa di corpi celesti dotati di atmosfera come Marte.
Aspettiamo di vederlo operativo nello spazio!

In Copertina: Il propulsore acceso che espelle la miscela di ossigeno-azoto

Fonte: ESA

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