Un minuscolo satellite in costruzione presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) potrebbe aprire nuovi orizzonti nell'esplorazione dello spazio. Gli studenti della Princeton University stanno costruendo il dispositivo, chiamato satellite cubico, o CubeSat, come banco di prova per un propulsore a razzo miniaturizzato con capacità uniche in fase di sviluppo presso PPPL.

Il propulsore, il cui sviluppo è guidato dal fisico PPPL Yevgeny Raitses, mantiene la promessa di una maggiore flessibilità per la missione di CubeSats, più di 1, 000 dei quali lanciati da università, centri di ricerca e interessi commerciali in tutto il mondo. Il dispositivo di propulsione proposto, alimentato da plasma, potrebbe alzare e abbassare le orbite dei CubeSat che circondano la Terra, una capacità non ampiamente disponibile oggi per le piccole navicelle spaziali, e avrebbe il potenziale per l'esplorazione dello spazio profondo. "Essenzialmente, potremo utilizzare questi propulsori in miniatura per molte missioni, " ha detto Raitses.

Centinaia di CubeSat microalimentati

Un esempio:centinaia di questi CubeSat microalimentati sono stati immaginati dal fisico Masaaki Yamada, investigatore principale del PPPL Magnetic Reconnection Experiment (MRX), che studia la riconnessione magnetica, la separazione e l'esplosione esplosiva delle linee del campo magnetico nel plasma che innesca le aurore, brillamenti solari e tempeste geomagnetiche che possono interrompere il servizio di telefonia cellulare e le reti elettriche sulla Terra. Tali flotte CubeSat potrebbero catturare nei minimi dettagli il processo di riconnessione nella magnetosfera, il campo magnetico che circonda la Terra, ha detto Yamada.

Il motore miniaturizzato ridimensiona un propulsore cilindrico con una geometria ad alto volume-superficie sviluppata al PPPL Hall Thruster Experiment (HTX), che Raitses guida e ha lanciato con il fisico PPPL Nat Fisch nel 1999. L'esperimento indaga l'uso del plasma, lo stato della materia composto da elettroni fluttuanti e nuclei atomici, o ioni, per la propulsione spaziale.

Vantaggio chiave

Un vantaggio chiave del propulsore Hall cilindrico miniaturizzato sarà la sua capacità di produrre una maggiore densità di spinta del razzo rispetto ai propulsori al plasma esistenti utilizzati per la maggior parte dei CubeSat ora in orbita attorno alla Terra. Il propulsore miniaturizzato può raggiungere sia una maggiore densità che un elevato impulso specifico - il termine tecnico per indicare l'efficienza con cui un razzo brucia carburante - che sarà molte volte maggiore di quello prodotto dai razzi chimici e dai propulsori a gas freddo tipicamente utilizzati su piccoli satelliti.

I propulsori ad alto impulso specifico consumano molto meno carburante e possono allungare le missioni satellitari, rendendoli più convenienti. Altrettanto importante è il fatto che un impulso specifico elevato può produrre un aumento sufficientemente grande della quantità di moto di un satellite da consentire al veicolo spaziale di cambiare orbita, una caratteristica non disponibile sui CubeSat attualmente in orbita. Finalmente, l'elevata densità di spinta consentirà ai satelliti di compiere complesse orbite ottimizzate per il carburante in un tempo ragionevole.

Queste capacità offrono molti vantaggi. Per esempio, un CubeSat potrebbe scendere in un'orbita più bassa per tracciare gli uragani o monitorare i cambiamenti del litorale e tornare a un'orbita più alta dove la forza di resistenza su un satellite è più debole, richiedono meno carburante per la propulsione.

Il CubeSat lungo circa un piede, che Princeton ha soprannominato "TigerSat, " consiste di tre cubi di alluminio di quasi quattro pollici impilati verticalmente insieme. Sensori, batterie, apparecchiature radio e altri strumenti riempiranno il CubeSat, con un propulsore miniaturizzato approssimativamente di diametro uguale a due alloggi degli Stati Uniti alloggiati alle due estremità. Un propulsore si attiverà per cambiare orbita quando il satellite passa l'equatore terrestre.

Studenti di ingegneria meccanica e aerospaziale

A costruire il CubeSat ci sono circa 10 studenti laureati e universitari di Princeton nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale, con Daniel Marlow, l'Evans Crawford 1911 Professore di Fisica, in qualità di consigliere di facoltà. Gli studenti universitari includono Andrew Redd, che guida la progettazione e la costruzione del CubeSat, e Seth Freeman, che sta lavorando a tempo pieno al progetto durante l'estate. Al lavoro sullo sviluppo dei propulsori c'è Jacob Simmonds, uno studente del terzo anno di ingegneria, i cui relatori di tesi sono Raitses e Yamada. "Questo progetto è iniziato come prototipo del CubeSat di Yamada e si è evoluto in un proprio progetto come banco di prova per il propulsore al plasma, " ha detto Simmond.

Anche in costruzione presso PPPL è una struttura di prova progettata per simulare aspetti chiave del funzionamento del CubeSat. Gli studenti universitari che lavorano nel proprio tempo stanno costruendo il satellite e questa struttura. "Nella misura in cui gli studenti e i loro consulenti hanno identificato domande ben definite associate al progetto TigerSat, possono ottenere crediti di lavoro autonomo, " Marlow ha detto. "Inoltre, alcuni problemi impostati nel corso introduttivo di fisica per studenti universitari che insegno hanno domande relative al piano di volo TigerSat."

Simmond, mentre si lavora sul propulsore, sta redigendo una proposta per la Cubic Satellite Launch Initiative (CSLI) della NASA, prevista per novembre. Progetti selezionati dall'iniziativa, che promuove partenariati tecnologici pubblico-privato e sviluppo tecnologico a basso costo, avere costi di lancio coperti su veicoli commerciali e della NASA. I piani prevedono il lancio di TigerSat nell'autunno del 2021.

Valore della collaborazione

Per Raitses, questo progetto dimostra il valore degli studenti di ingegneria di Princeton che collaborano con PPPL e dei docenti universitari che collaborano con il Laboratorio. "Questo è qualcosa che è reciprocamente vantaggioso, " Egli ha detto, "e qualcosa che vogliamo incoraggiare".