La propulsione al plasma è un argomento di vivo interesse per gli astronomi e le agenzie spaziali. Essendo una tecnologia altamente avanzata che offre una notevole efficienza del carburante rispetto ai razzi chimici convenzionali, è attualmente utilizzata in qualsiasi cosa, dai veicoli spaziali e dai satelliti alle missioni esplorative. E guardando al futuro, si stanno studiando anche i flussi di plasma per concetti di propulsione più avanzati, nonché per la fusione confinata magnetica.
Tuttavia, un problema comune con la propulsione al plasma è il fatto che si basa su ciò che è noto come 'neutralizzatore'. Questo strumento, che consente al veicolo spaziale di rimanere neutrale rispetto alla carica, è un ulteriore consumo di energia. Per fortuna, un team di ricercatori del Università di York e École Polytechnique stanno studiando un progetto di propulsore al plasma che eliminerebbe del tutto un neutralizzatore.
Uno studio che dettaglia i risultati della loro ricerca - intitolato ' Dinamica transitoria di propagazione di plasmi in movimento accelerati da campi elettrici a radiofrequenza ” – è stato rilasciato all'inizio di questo mese inFisica dei Plasmi –una rivista pubblicata dall'American Institute of Physics. Guidati dal Dr. James Dendrick, un fisico del York Plasma Institute all'Università di York, presentano un concetto per un propulsore al plasma autoregolante.
Un propulsore Hall da 6 kW in funzione presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA. Credito: NASA/JPL
Fondamentalmente, i sistemi di propulsione al plasma si basano sull'energia elettrica per ionizzare il gas propellente e trasformarlo in plasma (cioè elettroni caricati negativamente e ioni caricati positivamente). Questi ioni ed elettroni vengono quindi accelerati dagli ugelli del motore per generare spinta e spingere un veicolo spaziale. Gli esempi includono il propulsore Gridded-ion e Hall-effect, entrambi tecnologie di propulsione consolidate.
Il propulsore Gridden-ion è stato testato per la prima volta negli anni '60 e '70 come parte del Test del razzo elettrico spaziale (SERT). Da allora, è stato utilizzato dalla NASA Albamissione , che sta attualmente esplorando Cerere nella fascia principale degli asteroidi. E in futuro, l'ESA e la JAXA prevedono di utilizzare i propulsori Gridded-iron per azionare i loro BepiColombo missione su Mercurio.
Allo stesso modo, i propulsori ad effetto Hall sono stati studiati dagli anni '60 sia dalla NASA che dai programmi spaziali sovietici. Sono stati utilizzati per la prima volta come parte degli ESA Piccole missioni per la ricerca avanzata nella tecnologia-1 (SMART-1) missione. Questa missione, lanciata nel 2003 e schiantata sulla superficie lunare tre anni dopo, è stata la prima missione dell'ESA ad andare sulla Luna.
Come notato, i veicoli spaziali che utilizzano questi propulsori richiedono tutti un neutralizzatore per garantire che rimangano 'neutri di carica'. Ciò è necessario poiché i propulsori al plasma convenzionali generano più particelle caricate positivamente rispetto a quelle caricate negativamente. Pertanto, i neutralizzatori iniettano elettroni (che trasportano una carica negativa) per mantenere l'equilibrio tra ioni positivi e negativi.
Un'illustrazione artistica della navicella spaziale Dawn della NASA con il suo sistema di propulsione ionica che si avvicina a Cerere. Credito: NASA/JPL-Caltech.
Come potresti sospettare, questi elettroni sono generati dai sistemi di alimentazione elettrica della navicella, il che significa che il neutralizzatore è un ulteriore consumo di energia. L'aggiunta di questo componente significa anche che il sistema di propulsione stesso dovrà essere più grande e più pesante. Per risolvere questo problema, il team York/École Polytechnique ha proposto un progetto per un propulsore al plasma che può rimanere da solo a carica neutra.
Conosciuto come motore di Nettuno, questo concetto è stato dimostrato per la prima volta nel 2014 da Dmytro Rafalskyi e Ane Aanesland, due ricercatori dell'École Polytechnique Laboratorio di Fisica del Plasma (LPP) e coautori del recente articolo. Come hanno dimostrato, il concetto si basa sulla tecnologia utilizzata per creare propulsori a ioni a griglia, ma riesce a generare scarichi che contengono quantità comparabili di ioni caricati positivamente e negativamente.
Come spiegano nel corso del loro studio:
“Il suo design si basa sul principio dell'accelerazione del plasma, per cui l'estrazione coincidente di ioni ed elettroni viene ottenuta applicando un campo elettrico oscillante all'ottica di accelerazione a griglia. Nei tradizionali propulsori a ioni a griglia, gli ioni vengono accelerati utilizzando una sorgente di tensione designata per applicare un campo elettrico in corrente continua (cc) tra le griglie di estrazione. In questo lavoro, si forma una tensione continua di autopolarizzazione quando la potenza a radiofrequenza (rf) è accoppiata alle griglie di estrazione a causa della differenza nell'area delle superfici alimentate e messe a terra a contatto con il plasma.
Il propulsore ad effetto hall utilizzato dalla missione SMART-1, che si basava sullo xeno come massa di reazione. Copyright: ESA
In breve, il propulsore crea uno scarico che è effettivamente neutrale rispetto alla carica attraverso l'applicazione di onde radio. Questo ha lo stesso effetto di aggiungere un campo elettrico alla spinta ed elimina efficacemente la necessità di un neutralizzatore. Come ha scoperto il loro studio, il propulsore Neptune è anche in grado di generare una spinta paragonabile a un propulsore ionico convenzionale.
Per far progredire ulteriormente la tecnologia, hanno collaborato con James Dedrick e Andrew Gibson dello York Plasma Institute per studiare come funzionerebbe il propulsore in condizioni diverse. Con Dedrick e Gibson a bordo, iniziarono a studiare come il raggio di plasma potesse interagire con lo spazio e se ciò avrebbe influenzato la sua carica bilanciata.
Quello che hanno scoperto è che il raggio di scarico del motore ha svolto un ruolo importante nel mantenere il raggio neutro, dove la propagazione degli elettroni dopo che sono stati introdotti nelle griglie di estrazione agisce per compensare la carica spaziale nel raggio di plasma. come loro stato nel loro studio :
“[P]spettroscopia di emissione ottica risolta con hase è stata applicata in combinazione con misurazioni elettriche (funzioni di distribuzione di energia di ioni ed elettroni, correnti di ioni ed elettroni e potenziale del fascio) per studiare la propagazione transitoria di elettroni energetici in un plasma fluente generato da un propulsore al plasma pilotato da auto-polarizzazione rf. I risultati suggeriscono che la propagazione degli elettroni durante l'intervallo di collasso della guaina alle griglie di estrazione agisce per compensare la carica spaziale nel raggio di plasma.
Naturalmente, sottolineano anche che saranno necessari ulteriori test prima che un propulsore Nettuno possa mai essere utilizzato. Ma i risultati sono incoraggianti, poiché offrono la possibilità di propulsori ionici più leggeri e più piccoli, che consentirebbero veicoli spaziali ancora più compatti ed efficienti dal punto di vista energetico. Per le agenzie spaziali che desiderano esplorare il Sistema Solare (e oltre) con un budget limitato, tale tecnologia non è nulla se non desiderabile!
Ulteriori letture: Fisica dei Plasmi , AIP