La propulsione al plasma è un argomento di forte interesse per gli astronomi e le agenzie spaziali. Essendo una tecnologia altamente avanzata che offre un notevole risparmio di carburante rispetto ai razzi chimici convenzionali, è attualmente utilizzata in tutto, dai veicoli spaziali e satellitari ai missioni esplorative. E guardando al futuro, il plasma che scorre è anche allo studio 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 un "neutralizzatore". Questo strumento, che consente ai veicoli spaziali di rimanere neutrali, è un ulteriore consumo di energia. Fortunatamente, un team di ricercatori dell'Università di York e di École Polytechnique sta studiando un progetto di propulsori al plasma che eliminerebbe del tutto un neutralizzatore.
Uno studio in dettaglio i loro risultati di ricerca - intitolato "Dinamica di propagazione transitoria dei plasmi fluenti accelerati dai campi elettrici a radiofrequenza" - è stato pubblicato all'inizio di questo mese in Fisica dei plasmi - un diario pubblicato dall'American Institute of Physics. Guidati dal Dr. James Dendrick, un fisico del York Plasma Institute dell'Università di York, presentano un concetto per un propulsore al plasma autoregolante.
Fondamentalmente, i sistemi di propulsione al plasma si basano sull'energia elettrica per ionizzare il gas propellente e trasformarlo in plasma (cioè elettroni con carica negativa e ioni con carica positiva). Questi ioni ed elettroni vengono quindi accelerati dagli ugelli del motore per generare spinta e spingere un veicolo spaziale. Esempi includono il propulsore a ioni di tipo Gridded e ad effetto Hall, entrambi i quali sono tecnologie di propulsione consolidate.
Il propulsore a ioni di Gridden è stato testato per la prima volta negli anni '60 e '70 come parte del programma Space Electric Rocket Test (SERT). Da allora, è stato utilizzato dalla NASA Alba missione, che sta attualmente esplorando Cerere nella fascia principale degli asteroidi. E in futuro, l'ESA e la JAXA hanno in programma di utilizzare i propulsori in ferro Gridded per spingere la loro missione BepiColombo 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 della missione ESA Small Missions for Advanced Research in Technology-1 (SMART-1). Questa missione, che è stata lanciata nel 2003 e si è 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 "neutrali 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) al fine di mantenere l'equilibrio tra ioni positivi e ioni negativi.
Come potresti sospettare, questi elettroni sono generati dai sistemi di energia elettrica del veicolo spaziale, 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 ovviare a questo, il team York / École Polytechnique ha proposto un progetto per un propulsore al plasma che può rimanere da solo neutro in carica.
Conosciuto come il motore di Nettuno, questo concetto è stato dimostrato per la prima volta nel 2014 da Dmytro Rafalskyi e Ane Aanesland, due ricercatori del Laboratorio di fisica del plasma (LPP) di École Polytechnique e co-autori del recente documento. Come hanno dimostrato, il concetto si basa sulla tecnologia utilizzata per creare propulsori a ioni griglia, ma riesce a generare scarichi che contengono quantità comparabili di ioni positivi e negativamente caricati.
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 si ottiene applicando un campo elettrico oscillante all'ottica di accelerazione su griglia. Nei tradizionali propulsori a ioni con griglia, gli ioni vengono accelerati utilizzando una sorgente di tensione designata per applicare un campo elettrico a corrente continua (cc) tra le reti di estrazione. In questo lavoro, si forma una tensione di auto-polarizzazione in cc quando l'alimentazione in radiofrequenza (rf) è accoppiata alle reti di estrazione a causa della differenza nell'area delle superfici alimentate e messe a terra in contatto con il plasma. "
In breve, il propulsore crea uno scarico efficacemente neutro attraverso l'applicazione di onde radio. Ciò ha lo stesso effetto dell'aggiunta di un campo elettrico alla spinta e rimuove efficacemente la necessità di un neutralizzatore. Come ha scoperto il loro studio, il propulsore di Nettuno è anche in grado di generare una spinta paragonabile a un propulsore ionico convenzionale.
Per far avanzare ulteriormente la tecnologia, si sono uniti a James Dedrick e Andrew Gibson del York Plasma Institute per studiare come il propulsore funzionerebbe 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.
Ciò che hanno scoperto è che il raggio di scarico del motore ha svolto un ruolo importante nel mantenere neutro il raggio, in cui la propagazione degli elettroni dopo che sono stati introdotti nelle griglie di estrazione agisce per compensare la carica spaziale nel raggio del plasma. Come affermano nel loro studio:
"[P] spettroscopia di emissione ottica risolta con hash è stata applicata in combinazione con misurazioni elettriche (funzioni di distribuzione dell'energia ionica ed elettronica, correnti ioniche ed elettroniche e potenziale di fascio) per studiare la propagazione transitoria di elettroni energetici in un plasma che scorre generato da un propulsore al plasma auto-polarizzato rf. I risultati suggeriscono che la propagazione degli elettroni durante l'intervallo del collasso della guaina alle griglie di estrazione agisce per compensare la carica spaziale nel raggio del plasma. "
Naturalmente, sottolineano anche che saranno necessari ulteriori test prima che un propulsore Neptune 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 che sono 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 è nulla se non desiderabile!
