Una nuova tecnologia di spinta per i nanosatelliti potrebbe renderli più efficienti

L'immagine di un razzo in decollo Nasa

Nel 1964, l'Unione Sovietica lanciò un'astronave chiamata Zond 2 verso Marte. La sua missione era orbitare attorno al Pianeta Rosso, fotografare la superficie, cercare segni di metano nell'atmosfera e rilasciare un velivolo per atterrare sulla superficie.

Ma diversi mesi dopo il lancio, il fastidioso alimentatore di Zond 2 si è guastato. I sovietici persero il contatto con l'imbarcazione e non ne ebbero più notizie. Oggi la missione è in gran parte considerata un fallimento, una delle tante per quanto riguarda Marte.

Ma Zond 2 aveva un altro obiettivo. Il veicolo spaziale era dotato di sei propulsori rivoluzionari per il controllo dell'assetto. Conosciuti come motori a reazione al plasma, questi dispositivi non erano mai stati utilizzati nello spazio. Ma durante vari test dopo il lancio, Zond 2 ha dimostrato di poter funzionare.

Da allora vari veicoli spaziali hanno fatto affidamento su questa forma di propulsione (e su una forma leggermente diversa utilizzando i propulsori ionici). Questi motori presentano vantaggi significativi rispetto ai razzi chimici convenzionali perché sono più semplici, più leggeri e più efficienti.

Sono anche significativamente più piccoli dei propulsori chimici. Ciò li rende utili per i produttori di nanosatelliti, i veicoli spaziali sempre più comuni con una massa inferiore a 10 chilogrammi, che spesso sono poco più grandi di un cubo di Rubik.

Ma i motori di spinta al plasma non sono perfetti. Trasformare il propellente di bordo in plasma e controllarne il flusso può essere un'attività complicata che spreca energia e talvolta danneggia anche il motore stesso. Quindi trovare modi per migliorare i motori di spinta al plasma è di notevole interesse per i produttori di piccoli satelliti.

Entrano Adam Patel e colleghi della Purdue University di West Lafayette, Indiana. Questi ragazzi hanno escogitato un nuovo design per un propulsore al plasma piccolo come i suoi predecessori che ha il potenziale per essere ancora più affidabile ed efficiente.

Innanzitutto, alcune informazioni sul propellente su cui fanno affidamento i propulsori al plasma. La maggior parte utilizza un propellente solido come il politetrafluoroetilene, altrimenti noto come teflon. È facile da riporre, ma per essere utilizzato deve essere vaporizzato facendo passare una corrente attraverso la superficie.

Il vapore viene quindi acceso, creando un flashover che lo trasforma in plasma. Il plasma passa quindi attraverso un campo elettromagnetico, dove subisce una forza di accelerazione che spinge il veicolo spaziale nella direzione opposta.

Il problema è che questa ablazione è un processo incostante. La velocità è difficile da controllare e questo può rendere la spinta non uniforme. Inoltre, la superficie in teflon a volte si rompe ed espelle detriti sotto forma di macroparticelle che interferiscono con il funzionamento del motore.

Inoltre, l'accenditore che attiva il processo di flashover può danneggiarsi nel tempo. Tutti questi problemi alla fine limitano l'efficienza dei propulsori al plasma a combustibile solido a meno del 15%.

Un modo per aggirare questo è immagazzinare il propellente come gas e controllarne il rilascio con un sistema di iniezione di gas. Ciò aumenta l'efficienza del motore fino al 70%. Ma questi sistemi sono ingombranti e complessi e il gas stesso ha un volume significativamente maggiore di una massa solida equivalente. Ciò rende difficile creare un nanosat.

Ora Patel e compagni dicono che possono risolvere questi problemi usando un propellente liquido. Un propulsore al plasma pulsato alimentato a liquido potrebbe potenzialmente superare diversi svantaggi associati ai tradizionali dispositivi di propulsione al plasma pulsato, dicono.

In effetti, hanno costruito un sistema di micro-propulsione proof-of-principe alimentato da liquido e lo hanno messo alla prova in una camera a vuoto. Come propellente, usano il pentafenil trimetiltrisilossano (C33H34O2Si3), un liquido viscoso a bassa tensione di vapore che è anche un ottimo dielettrico.

Il team ha anche progettato un nuovo sistema di accensione a basso consumo energetico. Questo è costituito da due elettrodi a piastra separati da un dielettrico. Funziona aumentando la tensione attraverso le piastre fino a un valore di soglia in cui il dielettrico vaporizza e diventa plasma.

In questo caso, il dielettrico è il propellente liquido. Il plasma entra quindi nei campi elettromagnetici, dove accelera.

Il vantaggio di questo tipo di accenditore è che la tensione di soglia è sempre la stessa, quindi la quantità di energia richiesta per il flashover è sempre limitata. Ciò limita nel tempo i potenziali danni al gruppo flashover.

Nei test, Patel e colleghi hanno utilizzato l'accenditore per oltre 1,5 milioni di eventi di flashover senza osservare alcun danno significativo al dispositivo. Altri progetti a volte possono fallire dopo soli 400 cicli di cottura.

Patel e compagni hanno continuato a misurare la velocità di scarico del plasma a 32 chilometri al secondo. Ciò ha permesso loro di calcolare che il motore produce una spinta rispettabile fino a 5,8 newton.

Questo è un solido primo passo verso migliori sistemi di micropropulsione per i nanosatelliti.

Tuttavia, c'è più lavoro di sviluppo avanti. Un compito importante sarà progettare e costruire un semplice sistema di alimentazione del liquido che funzioni in modo affidabile a gravità zero. In questi esperimenti, i ricercatori hanno iniettato il liquido nell'accenditore a mano usando una siringa.

Non è difficile immaginare come potrebbe essere automatizzato, ma i liquidi sono notoriamente difficili da controllare a zero G. Quindi Patel e co avranno il loro lavoro da svolgere nello sviluppo di un sistema semplice su cui i produttori di satelliti possono fare affidamento. Ma qui sta un'altra storia.

Patel e co hanno sicuramente ambizioni più grandi o il loro dispositivo. I risultati di questo documento forniscono informazioni preziose per consentire lo sviluppo di un propulsore al plasma pulsato alimentato a liquido pronto per il volo, affermano. Sarà interessante vedere come lo fanno.

Rif: arxiv.org/abs/1907.00169 : Propulsore al plasma pulsato alimentato a liquido per la propulsione di nanosatelliti

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