La propulsione avanzata dei propulsore al plasma elicoidale si avvicina al mercato
Attualmente, più di 5 000 satelliti orbitano intorno alla Terra a una distanza relativamente ravvicinata. Questi satelliti in orbita terrestre bassa (LEO, low Earth orbit) sono molto utili per l’osservazione della Terra, per scopi che vanno dal monitoraggio del clima alle telecomunicazioni e alla difesa, mentre la domanda è in rapida crescita. La produzione di massa di centinaia di satelliti LEO per mega-costellazioni imporrà requisiti più rigorosi su tempi e costi di produzione, nonché sui costi operativi e sul ciclo vitale. La rivoluzionaria tecnologia del propulsore al plasma elicoidale (HPT, helicon plasma thruster) – un tipo avanzato di propulsione elettrica in fase di sviluppo – potrebbe soddisfare questi requisiti. Il progetto HIPATIA, finanziato dall’UE, ha fatto progredire la tecnologia dei HPT e ha fornito un sistema di propulsione completo, avvicinando questo promettente propulsore al mercato e allo spazio.
Propulsione elettrica senza elettrodi ed elettronica complessa
Tutti i sistemi di propulsione si basano sulla terza legge del moto di Newton: espellere qualcosa in una direzione per muoversi nella direzione opposta. La propulsione chimica convenzionale si basa sulla combustione. Il getto di scarico espulso muove il satellite, ma questo richiede un notevole quantitativo di propellente, il che significa non solo peso, ma anche maggiori rischi, poiché il propellente è altamente infiammabile. I più recenti sistemi elettrici di propulsione elettrica utilizzano molto meno propellente, ma devono affrontare altre sfide. Attualmente i propulsori elettrostatici ionizzano i gas nobili tramite scarica elettrostatica. L’espulsione delle particelle ionizzate produce una spinta, ma la ionizzazione richiede elettrodi difficili da produrre e da far funzionare, nonché un’elettronica complessa per produrre tensioni elevate. «La tecnologia dei HPT ionizza il propellente per produrre plasma caldo utilizzando un campo elettromagnetico a radiofrequenza creato da un’antenna e da magneti. Sono ormai lontani gli elettrodi e l’elettronica complessa, semplificando il sistema e consentendo un maggiore ciclo vitale, rendendolo più facile da produrre, più economico e più veloce da integrare», spiega la coordinatrice del progetto Mercedes Ruiz di Sener.
I progressi e i nuovi sviluppi consentono l’integrazione e il collaudo
HIPATIA ha iniziato con un HPT sviluppato a un livello di maturità tecnologica (TRL, technology readiness level) intermedio. Il resto dei componenti del sistema di propulsione, fondamentali per la sua funzionalità, non era stato considerato. Una campagna combinata di modellizzazione e test ha permesso al consorzio di far progredire il TRL del propulsore al plasma elicoidale e di sviluppare e integrare i componenti fondamentali. L’unità di controllo del propellente ne controlla la pressione e il flusso di massa. L’unità di generazione e potenza a radiofrequenza ionizza il propellente e accelera il plasma che lascia il propulsore ad alta velocità. «HIPATIA ha portato a due campagne di test di accoppiamento di successo del sistema completo di propulsione con propulsore al plasma elicoidale, conducendolo molto più vicino all’applicazione sul mercato», afferma Ruiz.
Spinta verso il mercato, accelerazione dell’innovazione e nuove missioni
«Sono molto orgogliosa del team HIPATIA: Sener, UC3M, Airbus Defence and Space, CNRS e Advanced Space Technologies. Nonostante l’avvio del progetto durante la pandemia da COVID-19, abbiamo lavorato molto bene insieme per progredire e raggiungerne gli obiettivi», osserva Ruiz. Non solo hanno fatto progredire in modo notevole il TRL e il livello di integrazione del sistema, ma «la modellizzazione, la simulazione e i test avanzati hanno approfondito la comprensione della fisica alla base di questo tipo di dispositivo al plasma. Questo ha portato a nuovi percorsi per aumentare l’efficienza, che sono alla base di un nuovo progetto di propulsore che stiamo attualmente definendo», dice Ruiz. Gli sviluppi di HIPATIA avvicinano i propulsori a radiofrequenza al mercato, che forniranno all’industria aerospaziale sistemi di propulsione elettrica più semplici e versatili, aprendo potenzialmente la strada a nuove missioni.
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