Lo xeno perde terreno rispetto a un carburante satellitare concorrente più economico
Il numero di piccoli satelliti in orbita attorno alla Terra è costantemente aumentato negli ultimi dieci anni grazie a componenti elettronici minuscoli e alla riduzione dei costi di lancio. Negli anni a venire, operatori satellitari quali OneWeb e StarLink hanno in programma di lanciare in orbita decine di migliaia di satelliti per potenziare la copertura Internet e migliorare l’osservazione della Terra. In generale, i sistemi di propulsione elettrica che alimentano questi piccoli satelliti comprendono un’elettronica complessa e si basano su gas propellenti come xeno o krypton, che sono costosi e scarsamente disponibili.
Un’alternativa abbondante ed economica ai carburanti satellitari standard
Il progetto iFACT, finanziato dall’UE, ha introdotto una nuova architettura di propulsore e l’uso di un’alternativa più economica al propellente per aumentare la competitività nel mercato della propulsione elettrica. I ricercatori si sono rivolti allo iodio come possibile sostituto dello xeno, un elemento che si trova naturalmente nel terreno e nell’oceano. Il suo utilizzo come propellente semplifica notevolmente l’architettura del sottosistema di alimentazione del propellente, portando a notevoli risparmi sui costi. Sebbene abbia all’incirca la stessa massa dello xeno, la sua densità di accumulo è tre volte superiore, il che aiuta a ridurre la massa del sottosistema di alimentazione. Il coordinatore del progetto Franz Georg Hey afferma: «Abbiamo sviluppato e dimostrato elementi fondamentali per promuovere l’uso dello iodio come propellente per la propulsione elettrica. Dal 2020 sono stati realizzati tre diversi propulsori alimentati a iodio (con potenze che vanno da 10 a 1 000 W) e uno è stato accoppiato con successo a una piattaforma CubeSat progettata da Endurosat.»
Architettura ottimizzata per lo iodio
Progettato da Airbus, il propulsore a campo cuspidale avanzato (ACFT, Advanced Cusp Field Thrusted) è un promettente propulsore elettrico che funziona a iodio. Il propulsore, che consiste in una coppia di magneti, due espansioni polari, un anodo magnetico e una camera di scarica dielettrica, può essere facilmente acceso e mantiene una scarica di plasma stabile. «L’ACFT da 300 W ha operato più di 3 000 ore in un impianto per vuoto dedicato compatibile con lo iodio sviluppato dal partner del progetto Aerospazio Technologie in Italia. Si tratta di un risultato molto importante per la propulsione a iodio, che dimostra la possibilità di alimentare più chilogrammi di iodio su un singolo propulsore», osserva Georg Hey. A livello dei bordi dell’anodo, il propellente viene immesso nella camera di scarica del propulsore. All’uscita del propulsore, un catodo cavo emette elettroni per neutralizzare il fascio ionico estratto e mantenere la scarica di plasma. Il team del progetto ha progettato catodi cavi che forniscono elettroni sia per la generazione di plasma che per la neutralizzazione del fascio. Generando elevate quantità di plasma, i catodi cavi si auto-riscaldano e regolano la caduta di tensione per fornire il riscaldamento interno necessario per produrre la scarica ionica desiderata. Il team del progetto ha sperimentato diversi materiali catodici per testare la compatibilità con lo iodio. «L’alluminato di calcio (C12A7) è un promettente materiale catodico, probabilmente compatibile con lo iodio. Gli ioni di iodio caricati positivamente, che vengono accelerati da un campo elettrico, forniscono la spinta. Dopo aver lasciato il motore, gli ioni di iodio caricati positivamente vengono nuovamente neutralizzati aggiungendo elettroni alla corrente per prevenire una carica elettrica negativa sul satellite», spiega Georg Hey. Inoltre, il materiale ha una funzione di lavoro minore rispetto all’esaboruro di lantanio (LaB6) comunemente utilizzato. In definitiva, il team del progetto ha dimostrato che a basse pressioni parziali, lo iodio non provoca degradazione al satellite ed è pertanto sicuro per l’uso come propellente. Le attività iFACT hanno fornito dati sufficienti su come si comporta lo iodio con i materiali utilizzati nel sistema di propulsione. I ricercatori sperano che l’uso di iodio non solo aiuti a ridurre i costi e il volume del carburante, ma porti anche a moduli di propulsione significativamente più piccoli e leggeri.
Parole chiave
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