Un innovativo jet pack al plasma aumenta l’agilità dei piccoli satelliti spaziali
I minuscoli satelliti, noti come nanosatelliti, sono in genere lunghi solo poche decine di centimetri e pesano meno di 50 kg ciascuno. Attualmente vengono utilizzati per diversi scopi, tra cui: telecomunicazioni, osservazione della Terra, navigazione e posizionamento e persino esplorazione interplanetaria. Spesso disposti in costellazioni, diversificano le capacità dell’infrastruttura spaziale. Come dice Luc Herrero di Comat: «I nanosatelliti hanno democratizzato l’accesso allo spazio, consentendo a una gamma più ampia di soggetti, dalle start-up alle istituzioni educative, di partecipare alla ricerca e alle attività spaziali». Ma la complessità della loro propulsione e delle loro operazioni, sia a terra che in orbita, ne riduce l’efficienza, l’efficacia dei costi e la sicurezza. Il progetto PJP finanziato dall’UE e coordinato da Herrero, ha studiato la propulsione elettrica come soluzione agli attuali processi che richiedono il lancio di nanosatelliti su razzi dedicati. Utilizzando metodi e sonde appositamente studiati, il progetto ha caratterizzato con successo la soluzione al plasma pulsato, sviluppando strumenti di simulazione per indagare la fisica sottostante e giungendo a un dimostratore modulare, basato su versioni precedenti.
Propulsione elettrica
La tecnologia di propulsione elettrica di PJP si basa su fisica dell’arco sottovuoto. In questo caso, gli ioni ad alta velocità vengono creati da un propellente metallico solido quando una scarica elettrica viene rilasciata nel vuoto tra due elettrodi: il catodo (propellente solido) e l’anodo (elettrodo passivo). L’energia degli elettroni viene trasferita agli ioni grazie al processo di raffreddamento che crea un intenso campo elettrico. La soluzione PJP espelle un plasma quasi neutro a velocità molto elevate, fino a 50 km al secondo, generando una spinta. «Il nostro dispositivo è in grado di generare una spinta su richiesta nello spazio, trasferendo lo slancio al satellite per la manovrabilità, e allo stesso tempo di immagazzinare il propellente in modo compatto e sicuro, evitando i serbatoi e le valvole tossici o pressurizzati necessari per le versioni convenzionali elettriche o chimiche», spiega Herrero. Il team ha caratterizzato oltre 30 diverse geometrie di camere di scarica ad arco utilizzando metodi diagnostici interni, che hanno informato la progettazione di uno strumento di simulazione per esplorare una varietà di configurazioni di sistema. «La nostra combinazione di metodi di caratterizzazione del plasma e di strumenti di simulazione ha approfondito la nostra comprensione della fisica dell’arco sottovuoto, dando vita a una delle tecnologie più innovative in questo campo», osserva Herrero. Il design modulare ha portato alla creazione di tre elementi fondamentali: camera di scarica ad arco, unità di generazione del plasma e unità di alimentazione e controllo della propulsione. Dopo la qualificazione da parte del team, questi sono stati combinati per creare un dimostratore del jet pack al plasma da 30 W, compatibile anche con le versioni da 80 W e 150 W. Questo dimostratore si basa su versioni precedenti al progetto, più semplici. «Anche se abbiamo riscontrato che la maggior parte dei parametri testati soddisfano le esigenze del mercato, è necessario lavorare ancora per evitare l’erosione degli elettrodi e migliorare la durata della spinta», afferma Herrero. Il primo volo del concetto modulare PJP30 del progetto è previsto per il 2024, per dimostrare le sue capacità di spinta direzionale.
Una gamma di applicazioni
Le alternative ai propellenti chimici sostengono le ambizioni di sostenibilità dell’UE e, grazie a una catena di approvvigionamento più locale, sono in linea con gli obiettivi dell’UE di essere più autosufficiente. Le probabili applicazioni, come il monitoraggio ambientale, il miglioramento delle reti di comunicazione e l’esplorazione spaziale più sicura, andranno anche a vantaggio dell’economia europea, creando posti di lavoro e rafforzando le credenziali di leadership tecnologica dell’Europa. Il team sta anche sviluppando un nuovo blocco costruttivo con capacità di spinta migliorate per una gamma più ampia di missioni.
Parole chiave
PJP, nanosatelliti, plasma, fisica, getto, spinta, propellente, spazio, propulsione elettrica
