Definire il futuro della propulsione elettrica per le operazioni e il trasporto nello spazio
Per raggiungere la sua orbita operativa e mantenere la sua posizione nello spazio, un satellite deve essere in grado di manovrare utilizzando i propri propulsori. Tradizionalmente, questo si ottiene mediante l’uso di sistemi di propulsione chimica. Tuttavia, le cose stanno cambiando. Nonostante il buon lavoro nel produrre l’enorme spinta necessaria per mettere in orbita un satellite, la propulsione chimica è meno adatta alla propulsione una volta che il satellite si trova nello spazio. Inoltre, i propellenti chimici e la struttura di stoccaggio utilizzati nei sistemi di propulsione chimica sono complessi e costosi. Una potenziale alternativa è un sistema di propulsione elettrica (EPS, Electric Propulsion System). Raggiungendo la spinta con elevate velocità di scarico, un EPS riduce la quantità di propellente richiesta per una determinata applicazione. Qualsiasi riduzione della massa del propellente può ridurre in modo significativo la massa di lancio di un veicolo spaziale o satellitare. Ciò a sua volta si traduce nella capacità di utilizzare veicoli di lancio più piccoli per consegnare una massa desiderata in una data orbita o un obiettivo nello spazio profondo, con conseguente riduzione dei costi dell’intera missione. Nonostante questo potenziale, un EPS non ha i livelli di prestazione o di maturità necessari per un uso su vasta scala. L’eccezione è la tecnologia di propulsione a effetto Hall, che è al centro del progetto CHEOPS (Consortium for Hall Effect Orbital Propulsion System), finanziato dall’UE. «Quando si parla di alta densità di spinta, la tecnologia di propulsione a effetto Hall è in prima linea», afferma Idris Habbassi, coordinatore del progetto CHEOPS e responsabile dei programmi di R&T sugli EPS spaziali di Safran. «Dal propulsore al catodo, all’unità di elaborazione di potenza e al sistema di gestione del flusso, questo progetto si è concentrato sulla fornitura delle modifiche incrementali alla tecnologia necessarie per far avanzare lo stato dell’arte negli EPS». Guidato da Safran Aircraft Engines, il consorzio CHEOPS è composto da alcuni dei principali produttori di satelliti europei, tra cui Airbus Space, OHB System e Thales Alenia Space, insieme con rappresentanti della catena di distribuzione EPS e del mondo accademico.
Propulsori a effetto Hall avanzati
I propulsori a effetto Hall (HET, Hall-Effect Thrusters) utilizzano un campo magnetico per limitare il movimento assiale degli elettroni. Utilizzano quindi questo movimento per ionizzare il propellente, accelerare gli ioni per produrre spinta e neutralizzare gli ioni nel pennacchio. Nel progetto CHEOPS, i ricercatori hanno mirato a sviluppare tre diversi EPS basati su HET. Questi comprendevano un EPS a bassa potenza per applicazioni in orbita terrestre bassa, un EPS a doppia modalità per applicazioni geosincrone e un EPS ad alta spinta da 20 kW per applicazioni di esplorazione. «Ognuno di questi HET proposti viene sviluppato in base alle esigenze del mercato e applicando cambiamenti tecnologici incrementali ai prodotti EPS esistenti», spiega Habbassi. Altre attività includevano lo sviluppo di strumenti di progettazione numerica avanzati per la propulsione elettrica. «Questi strumenti approfondiscono la nostra comprensione del comportamento osservabile e delle interazioni con la piattaforma satellitare e prevedono le prestazioni di un determinato progetto», aggiunge Habbassi. «Ciò include l’uso di propellenti alternativi e la capacità di stimare la durata utile di un sistema».
Oltre lo stato dell’arte
Il progetto è riuscito a spingere la tecnologia di propulsione spaziale oltre lo stato dell’arte. «CHEOPS ha affrontato tecnologie complesse che miglioreranno i nuovi tipi di missioni spaziali future, consentendo l’utilizzo di sonde spaziali più piccole che trasportano carichi utili più grandi e sofisticati», afferma Habbassi. «In tal modo, abbiamo migliorato la competitività europea sui sistemi di propulsione elettrica su scala globale». Tutti i partner del consorzio stanno ora lavorando per maturare ulteriormente le tecnologie da utilizzare nelle future missioni spaziali e per soddisfare tutti i requisiti commerciali e normativi.
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