Propulsore elettromagnetico di nuova generazione per satelliti in orbita terrestre bassa
La crescita del mercato globale dei piccoli satelliti in orbita terrestre bassa (LEO, low Earth orbit) sta accelerando rapidamente, con un crescente impiego nelle costellazioni. Circa 3 000 piccoli satelliti sono stati lanciati in tutto il mondo dal 2011 al 2020, e altri 2 304 solo nel 2022, con un aumento di circa il 30 % rispetto all’anno precedente. L’innovazione nelle tecnologie di propulsione svolgerà un ruolo fondamentale nell’aumentare l’indipendenza e la competitività dell’Europa in questo settore importante a livello socioeconomico. Mentre la propulsione chimica dei piccoli satelliti è stata storicamente la più diffusa, le tecnologie di propulsione elettrica sono utilizzate sempre più spesso e stanno raccogliendo un’ampia attenzione. Tra gli obiettivi principali dei sistemi di propulsione elettrica di nuova generazione vi è la riduzione dei costi e della complessità, aumentando al contempo la loro vita operativa. Il progetto HEMPT-NG2, finanziato dall’UE, ha affrontato entrambi gli obiettivi con il suo propulsore elettromagnetico avanzato. I suoi importanti vantaggi rispetto ai sistemi di propulsione elettrostatica attualmente disponibili – una drastica riduzione del consumo di propellente, un maggiore ciclo vitale e una complessità minima – potrebbero dare impulso alla competitività europea nel mercato dei piccoli satelliti.
Far progredire un propulsore al plasma d’avanguardia
Il propulsore al plasma multistadio ad alta efficienza del progetto è concepito per spostare un satellite ionizzando e accelerando un propellente tramite l’azione combinata di campi elettrici e magnetici. Questo consentirà ai satelliti di correggere la propria posizione in orbita (mantenimento della posizione) o di cambiare orbita (manovra orbitale). HEMPT-NG2 si è concentrato sul far progredire la maturità del propulsore al plasma, sviluppato nell’ambito del progetto HEMPT-NG. Per raggiungere gli obiettivi del progetto, i ricercatori hanno impiegato una campagna combinata di simulazione e sperimentazione. Essa è stata sostenuta dalla progettazione di strumenti di collaudo mirati implementati nelle procedure di assemblaggio, integrazione e test (AIT).
Maggiore efficienza e ciclo vitale a costi inferiori
I magneti permanenti per il confinamento del plasma sono essenziali per la tecnologia di propulsione ionica del propulsore ad alta efficienza. Secondo il coordinatore del progetto Peter Holtmann di Thales (Germania): «Le sue celle magnetiche, disposte in una configurazione a specchio cuspidale, consentono di intrappolare efficacemente gli elettroni del plasma. Ciò evita che gli elettroni entrino in contatto con le pareti del canale di scarica, riducendo l’erosione e prolungando il ciclo vitale e la stabilità operativa del propulsore.» Inoltre, l’efficiente confinamento degli elettroni consente un’elevata efficienza di ionizzazione e una perdita di elettroni (corrente) trascurabile. La piccola corrente di elettroni di avviamento proveniente dal catodo viene amplificata da una «valanga di ionizzazione», in modo da sostenere il plasma con un apporto minimo di energia elettrica. Le alte tensioni di accelerazione del propulsore al plasma consentono un impulso specifico più elevato (una misura dell’efficienza con cui l’energia del propellente viene convertita in spinta), riducendo drasticamente il consumo di propellente e quindi la massa dello stesso che deve essere immagazzinata a bordo. Inoltre, «il propulsore al plasma multistadio ad alta efficienza flessibile è in grado di sostenere diversi incarichi spaziali con lo stesso propulsore e può operare sia con lo xeno convenzionale che con i propellenti a base di cripton, molto meno costosi», aggiunge Holtmann.
Aprire la strada al mercato delle costellazioni satellitari LEO
Complessivamente, i progressi di HEMPT-NG2 hanno portato a un progetto solido con un’elevata efficienza e una riduzione del costo totale del sistema di propulsione elettrica. Il modulo universale del propulsore LEO è stato ottimizzato per la produzione di massa ed è stata eseguita un’analisi di mercato, aprendo la strada alla commercializzazione del propulsore al plasma ad alta efficienza e aumentando la competitività dell’Europa nel settore dei piccoli satelliti.
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