Nuove orbite all’orizzonte grazie agli esoreattori
I propulsori elettrici (EP, electric propulsion) sono il futuro dei satelliti scientifici e commerciali. La propulsione, tuttavia, è un fattore limitante: non appena il propellente utilizzato per generare la spinta si esaurisce, il satellite non riesce più a manovrare e raggiunge la fine della sua vita operativa. Il progetto AETHER, finanziato dall’UE, affronta questo problema utilizzando i gas residui presenti nell’atmosfera superiore invece del propellente di bordo, consentendo ai satelliti in orbita terrestre molto bassa (VLEO, very low earth orbit) di rimanere in servizio più a lungo e di diventare maggiormente convenienti a livello economico.
Nuove opportunità per i satelliti in orbita terrestre molto bassa
Migliaia di satelliti affollano il cielo sopra le nostre teste, soprattutto in orbita terrestre bassa. Questa altitudine è allettante in quanto offre una maggiore risoluzione per l’osservazione della Terra, nonché una velocità più elevata nelle telecomunicazioni. I satelliti a quest’altezza (all’incirca a 200 km dalla superficie terrestre), tuttavia, sono difficili da mantenere. A causa dell’atmosfera sottile, ma non trascurabile, essi devono infatti costantemente contrastare la resistenza dell’aria circostante, il che esaurisce rapidamente il loro propellente. L’utilizzo dell’aria stessa come propulsore è un passo in avanti rivoluzionario, alla luce della sua inesauribilità. Sebbene l’orbita terrestre molto bassa rappresenti lo scenario operativo più fattibile a livello commerciale per gli esoreattori a propulsione elettrica, anche l’esplorazione interplanetaria è una potenziale applicazione poiché questo tipo di motori può essere utilizzato in prossimità di un corpo celeste. Marte, così come Titanio, la luna di Saturno, sono entrambi buoni candidati a questo scopo.
Il propulsore elettrico RAM-EP
L’Europa è all’avanguardia nello sviluppo di questa tecnologia. Nel 2017, l’azienda leader del settore aerospaziale SITAEL ha prodotto e testato a terra il suo propulsore elettrico RAM-EP, il primo in grado di funzionare ad aria. Secondo Stefan Gregucci, responsabile del reparto propulsione presso SITAEL: «L’obiettivo del progetto AETHER era quello di aprire la strada ai satelliti in orbita terrestre molto bassa concentrandosi sull’ottimizzazione del sistema di propulsione ad aria. Il sistema RAM-EP è stato brevettato nell’ambito di AETHER, rafforzando in tal modo la posizione e la competitività di SITAEL in questo segmento di mercato molto promettente.» Sebbene il concetto di propulsore ad aria sia semplice, la creazione di un sistema di tal genere comporta numerose sfide. Per generare la spinta, infatti, questo sistema deve raccogliere il flusso d’aria in entrata, ionizzarlo e accelerare gli ioni prodotti a una velocità notevolmente superiore rispetto a quella orbitale. Nel difficile ambiente delle basse altitudini terrestri, caratterizzato da una forte corrosione da ossigeno atomico, i materiali sono sottoposti a forti sollecitazioni; inoltre, sono presenti complessità intrinseche nella progettazione funzionale del propulsore RAM-EP. Matteo Ciolini, ingegnere attivo presso il reparto propulsione di SITAEL, afferma: «L’obiettivo di migliorare le capacità di ionizzazione ha determinato vincoli critici di progettazione termica ed elettrica che ci hanno costretto a esplorare nuovi materiali ceramici, forme non convenzionali della presa d’aria e processi di produzione avanzati.»
Replicare l’ambiente esterno
AETHER ha sviluppato e migliorato la progettazione di RAM-EP in diversi modi: il team ha concepito due nuovi stadi di accelerazione, testandone uno con propellente atmosferico. Per mitigare gli effetti dell’ambiente, gli ingegneri hanno progettato e collaudato un catodo compatto a radiofrequenza. Sulla base di simulazioni numeriche del flusso sono stati apportate significative modifiche alla progettazione del propulsore ad aria; infine, AETHER ha impiegato un generatore di flusso di particelle per simulare le condizioni in termini di composizione atmosferica e velocità in cui si può trovare un veicolo spaziale in orbita terrestre molto bassa. I prossimi passi nello sviluppo di questa tecnologia dirompente prevedono la sperimentazione delle migliorie ottenute nel corso del progetto, con l’obiettivo finale di progettare un veicolo spaziale in grado di integrare il sistema RAM-EP. Gli esoreattori a propulsione elettrica nei satelliti in orbita terrestre molto bassa sono ancora all’orizzonte, ma AETHER ha consentito di innalzare il livello di maturità tecnologica (TRL) di questa entusiasmante innovazione nella propulsione spaziale.
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