Propulsore ionico che respira aria. Credito:ESA/Sitael
In una prima mondiale, un team guidato dall'ESA ha costruito e attivato un propulsore elettrico per ingerire scarse molecole d'aria dalla parte superiore dell'atmosfera per il propellente, aprendo la strada a satelliti che volano in orbite molto basse per anni e anni.
Il mappatore di gravità GOCE dell'ESA ha volato fino a 250 km per più di cinque anni grazie a un propulsore elettrico che ha compensato continuamente la resistenza dell'aria. Però, la sua vita utile era limitata dai 40 kg di xeno che trasportava come propellente - una volta esaurito, la missione era finita.
La sostituzione del propellente di bordo con le molecole atmosferiche creerebbe una nuova classe di satelliti in grado di operare in orbite molto basse per lunghi periodi.
I propulsori elettrici che respirano aria potrebbero essere utilizzati anche ai margini esterni delle atmosfere di altri pianeti, attingendo all'anidride carbonica di Marte, ad esempio.
"Questo progetto è iniziato con un nuovo design per raccogliere molecole d'aria come propellente dalla parte superiore dell'atmosfera terrestre a circa 200 km di altitudine con una velocità tipica di 7,8 km/s, " spiega Louis Walpot dell'ESA.
Un propulsore completo è stato sviluppato per testare il concetto da Sitael in Italia, che è stato eseguito in una camera a vuoto nelle loro strutture di prova, simulando l'ambiente a 200 km di altitudine.
Un "generatore di flusso di particelle" ha fornito le molecole ad alta velocità in arrivo per la raccolta da parte della nuova presa e del propulsore di propulsione elettrica Ram.
Una futura missione spaziale che respira aria in orbita bassa intorno alla Terra:spinta a circa 7,8 km/s, il satellite ingerirebbe molecole d'aria dalla parte superiore dell'atmosfera (a sinistra) per attivare il suo propulsore ionico (a destra), fornendo spinta per superare la resistenza atmosferica, permettendogli di rimanere in orbita bassa a tempo indeterminato. Credito:ESA-A. Di Giacomo
Non ci sono valvole o parti complesse:tutto funziona su un semplice, base passiva. Tutto ciò che serve è l'alimentazione alle bobine e agli elettrodi, creando un sistema di compensazione della resistenza estremamente robusto.
La sfida era progettare un nuovo tipo di presa per raccogliere le molecole d'aria in modo che invece di rimbalzare semplicemente vengano raccolte e compresse.
Le molecole raccolte dall'aspirazione progettata da QuinteScience in Polonia ricevono cariche elettriche in modo che possano essere accelerate ed espulse per fornire spinta.
Sitael ha progettato un propulsore a doppio stadio per garantire una migliore carica e accelerazione dell'aria in ingresso, che è più difficile da ottenere rispetto ai tradizionali progetti di propulsione elettrica.
Le molecole d'aria nella parte superiore dell'atmosfera vengono catturate da un nuovo tipo di aspirazione, poi raccolto e compresso fino a diventare plasma ionizzato termalizzato, a quel punto possono ricevere una carica elettrica per accelerarli ed espellerli per fornire spinta. La propulsione elettrica che respira aria potrebbe creare una nuova classe di longevi, missioni a bassa orbita fattibili. Credito:ESA-A. Di Giacomo
"Il team ha eseguito simulazioni al computer sul comportamento delle particelle per modellare tutte le diverse opzioni di assunzione, "aggiunge Luigi, "ma tutto si è ridotto a questo test pratico per sapere se l'aspirazione e il propulsore combinati avrebbero funzionato insieme o meno.
"Invece di misurare semplicemente la densità risultante al collettore per controllare il progetto di aspirazione, abbiamo deciso di collegare un propulsore elettrico. In questo modo, abbiamo dimostrato che potevamo effettivamente raccogliere e comprimere le molecole d'aria a un livello in cui poteva avvenire l'accensione del propulsore, e misurare la spinta effettiva.
"In un primo momento abbiamo verificato che il nostro propulsore potesse essere acceso ripetutamente con lo xeno raccolto dal generatore di fasci di particelle".
Come passo successivo, Louis spiega, lo xeno è stato parzialmente sostituito da una miscela di aria azoto-ossigeno:"Quando il colore blu a base di xeno del pennacchio del motore è cambiato in viola, sapevamo di esserci riusciti.
Il propulsore ad aria compressa è stato inizialmente fatto funzionare con propellente allo xeno standard, provocando un pennacchio bluastro, che è stato poi progressivamente sostituito con una miscela di azoto e ossigeno per rappresentare l'atmosfera terrestre. Il successo è stato segnato dal pennacchio del propulsore che è diventato viola. Credito:ESA/Sitael
"Il sistema è stato finalmente acceso ripetutamente esclusivamente con propellente atmosferico per dimostrare la fattibilità del concetto.
"Questo risultato significa che la propulsione elettrica che respira aria non è più semplicemente una teoria ma un tangibile, concetto di lavoro, pronto per essere sviluppato, servire un giorno come base di una nuova classe di missioni".
Inizialmente sparato con propellente allo xeno standard, il propulsore di prova è stato quindi spostato in aria atmosferica, dimostrando il principio della propulsione elettrica a respirazione d'aria. Credito:ESA
