Quando pensiamo ai viaggi nello spazio, tendiamo a immaginare un enorme razzo che esplode dalla Terra, con enormi flussi di fuoco e fumo che escono dal fondo, mentre l'enorme macchina lotta per sfuggire alla gravità terrestre. Ma una volta che un veicolo spaziale ha rotto il suo legame gravitazionale con la Terra, abbiamo altre opzioni per alimentarli. La propulsione ionica, a lungo sognata nella fantascienza, viene ora utilizzata per inviare sonde e veicoli spaziali per lunghi viaggi attraverso lo spazio.
La NASA iniziò a ricercare la propulsione ionica negli anni '50. Nel 1998, la propulsione ionica fu utilizzata con successo come principale sistema di propulsione su un veicolo spaziale, alimentando il Deep Space 1 (DS1) nella sua missione verso l'asteroide 9969 Braille e la cometa Borrelly. DS1 è stato progettato non solo per visitare un asteroide e una cometa, ma per testare dodici tecnologie avanzate ad alto rischio, tra le quali spicca il sistema stesso di propulsione ionica.
I sistemi di propulsione ionica generano una piccola quantità di spinta. Tieni nove quarti in mano, senti la forza di gravità della Terra tirarli su e hai un'idea di quanto poca spinta generino. Non possono essere utilizzati per il lancio di veicoli spaziali da corpi con forte gravità. La loro forza sta nel continuare a generare spinta nel tempo. Ciò significa che possono raggiungere velocità massime molto elevate. I propulsori ionici possono spingere i veicoli spaziali a velocità superiori a 320.000 kp / h (200.000 mph), ma devono essere in funzione da molto tempo per raggiungere quella velocità.
Uno ione è un atomo o una molecola che ha perso o guadagnato un elettrone e quindi ha una carica elettrica. Quindi la ionizzazione è il processo di dare una carica a un atomo o una molecola, aggiungendo o rimuovendo elettroni. Una volta caricato, uno ione vorrà muoversi in relazione a un campo magnetico. Questo è il cuore delle unità ioniche. Ma alcuni atomi sono più adatti a questo. Le unità ioniche della NASA in genere usano lo xeno, un gas inerte, perché non c'è rischio di esplosione.
In un drive ionico, lo xeno non è un carburante. Non è bruciato e non ha proprietà intrinseche che lo rendono utile come combustibile. La fonte di energia per un'unità ionica deve provenire da qualche altra parte. Questa fonte può essere l'elettricità prodotta da celle solari o l'elettricità generata dal calore in decomposizione di un materiale nucleare.
Gli ioni vengono creati bombardando il gas xeno con elettroni ad alta energia. Una volta caricati, questi ioni vengono attirati attraverso una coppia di griglie elettrostatiche - chiamate lenti - dalle loro cariche e vengono espulsi dalla camera, producendo spinta. Questa scarica si chiama fascio ionico e viene nuovamente iniettata con elettroni, per neutralizzare la sua carica. Ecco un breve video che mostra come funzionano gli ion drive:
A differenza di un razzo chimico tradizionale, dove la sua spinta è limitata dalla quantità di combustibile che può trasportare e bruciare, la spinta generata da un azionamento ionico è limitata solo dalla forza della sua fonte elettrica. La quantità di propellente che può trasportare un'imbarcazione, in questo caso lo xeno, è una preoccupazione secondaria. Il veicolo spaziale Dawn della NASA ha usato solo 10 once di propellente allo xeno - che è meno di una lattina di soda - per 27 ore di funzionamento.
In teoria, non vi è alcun limite alla forza della fonte elettrica che alimenta il convertitore e si sta lavorando per sviluppare propulsori ionici ancora più potenti di quelli attualmente disponibili. Nel 2012, il Evolution Xenon Thruster (NEXT) della NASA ha funzionato a 7000 W per oltre 43.000 ore, rispetto all'azionamento ionico su DS1 che utilizzava solo 2100 W. NEXT e i progetti che lo supereranno in futuro, consentiranno ai veicoli spaziali di andare in missione estesa su più asteroidi, comete, pianeti esterni e loro lune.
Le missioni che utilizzano la propulsione ionica includono la missione Dawn della NASA, la missione giapponese Hayabusa sull'asteroide 25143 Itokawa e le imminenti missioni dell'ESA Bepicolombo, che andrà a Mercurio nel 2017, e LISA Pathfinder, che studierà le onde gravitazionali a bassa frequenza.
Con il costante miglioramento dei sistemi di propulsione ionica, questo elenco non farà che aumentare.
