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Propulsione al plasma mediante nuovi concetti

I ricercatori finanziati dall’UE hanno sviluppato e dimostrato il funzionamento di un motore con propulsione al plasma che estrae e accelera ioni positivi e negativi per generare spinta. Le applicazioni includono propulsione nello spazio lontano, acceleratori al plasma e incisione ionica.
Propulsione al plasma mediante nuovi concetti
L’idea principale dietro il progetto NEPTUNE (New generation of ion sources: From deep space missions to upstream nano-technologies), finanziato dall’UE, è quella di accelerare gli ioni e gli elettroni estratti da un plasma a bassa temperatura utilizzando un sistema con griglia a radiofrequenza. Questo nuovo concetto può fornire una forza propulsiva senza la necessità di corrente addizionale o neutralizzazione di carica.

In particolare, l’effetto di autopolarizzazione della tensione a radiofrequenza applicata alle griglie è rettificato dalla creazione da parte del plasma di un campo elettrico costante che accelera gli ioni. Allo stesso tempo, le oscillazioni potenziali del plasma permettono agli elettroni di essere estratti poco dopo il collasso della lamina di carica. La scia o fascio a valle sono principalmente composti di veloci particelle neutre con una bassa densità di particelle cariche.

La parte più impegnativa del progetto NEPTUNE riguarda lo sviluppo di nuovi strumenti diagnostici con raggio al plasma. Ciò richiederebbe un analizzatore in grado di ritardare l’energia del campo elettrico, un dipolo corto abbinato per misure di impedenza e una sonda di carica multi-canale.

La caratterizzazione dei diversi schemi di estrazione di ioni ed elettroni ha permesso una mappatura dettagliata dei parametri di funzionamento. Un fascio continuo ione-ione generato alle basse energie è stato ritenuto adatto per l’incisione ionica reattiva profonda in quanto a microelettronica e trattamento di superficie degli elettrodi relativi a batterie litio-zolfo. D’altra parte, l’estrazione ione-ione combinata all’accelerazione ad alta energia potrebbe rivelarsi utile per la rimozione dei detriti dallo spazio.

L’applicazione più attraente del concetto NEPTUNE, in termini di estrazione ione-elettrone alternativa e accelerazione al plasma a bassa temperatura, sta nella propulsione spaziale. È già stata realizzata nel propulsore ionico a griglia, una propulsione al plasma con gas elettromagnetici (PEGASUS). Questo metodo ha migliorato significativamente l’efficienza del sistema, pur essendo conveniente in termini di massa e volume.

Dopo aver ottenuto un’adeguata prova del concetto, la fonte di flusso plasmatico NEPTUNE è stata brevettata nel 2014.

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Keywords

Propulsione al plasma, incisione ionica, ioni ed elettroni, neutralizzazione di carica, tensione a radiofrequenza