C12A7:e- in catodi e neutralizzatori migliora la propulsione elettrica
Negli ultimi anni, i sistemi di propulsione elettrica (EP, electric propulsion) hanno guadagnato enormemente terreno rispetto a quelli chimici per le missioni in orbita terrestre bassa (LEO, low Earth orbit). I satelliti LEO sono soggetti al decadimento orbitale, ovvero a una graduale diminuzione della propria distanza dalla Terra. Di conseguenza, hanno bisogno di sistemi di propulsione efficienti a bassa spinta per il «mantenimento della posizione». I satelliti più piccoli richiedono anche componenti meno ingombranti e più leggeri. La propulsione elettrica soddisfa entrambe le esigenze. Tuttavia, le sfide principali derivano dal fatto che i sistemi di EP d’avanguardia utilizzano materiali poco diffusi e costosi per i loro catodi e propellenti. Il progetto NEMESIS, finanziato dall’UE, affronta entrambi i problemi con un materiale catodico rivoluzionario che può essere prodotto in Europa in modo economico a partire da precursori poco costosi, disponibili localmente e abbondanti.
C12A7:e- come emettitore di elettroni alternativo
I materiali catodici hanno una duplice funzione: forniscono elettroni per bombardare i gas propellenti, per produrre ioni positivi che vengono accelerati ed espulsi per spingere il veicolo in avanti. Quindi, poiché questo processo carica positivamente il veicolo, sono necessari ulteriori elettroni per neutralizzare la carica positiva. «La maggior parte dei catodi e dei neutralizzatori di propulsione elettrica utilizza attualmente l’esaboruro di lantanio (LaB6) come emettitore di elettroni e lo xeno come gas propellente. Sia il lantanio che lo xeno sono poco diffusi e costosi, problemi che sono stati entrambi aggravati dalla guerra in Ucraina», spiega Ángel Post di Advanced Thermal Devices e coordinatore del progetto NEMESIS. NEMESIS ha puntato su un nuovo materiale ceramico, C12A7:e-, che non solo è economico e abbondante, ma richiede anche una temperatura più bassa per iniziare a emettere. Ciò implica un fabbisogno energetico e uno stress termico indotto inferiori sul resto dei componenti e dei sottosistemi del satellite. I ricercatori si aspettavano che fosse chimicamente più inerte di LaB6, consentendo il funzionamento con altri gas propellenti.
La polarizzazione pulsata risolve le instabilità di generazione degli elettroni
Il consorzio ha confermato tutte le aspettative di benefici e le ha superate. La temperatura di funzionamento è stata ridotta a circa 200-250 °C da 800-1300 °C per gli emettitori di elettroni alternativi. Ciò elimina la necessità di una fonte di calore esterna, di costosi materiali resistenti al calore nei sottosistemi e di schermi alle radiazioni termiche. I ricercatori hanno dimostrato la compatibilità operativa con molti gas propellenti alternativi, tra cui l’argon, il cripton e persino l’ammoniaca, oltre allo xeno convenzionale. NEMESIS ha fatto funzionare i nuovi catodi per migliaia di ore in totale, con risultati coerenti e ripetibili in più laboratori. È importante notare che «abbiamo superato il problema più difficile con C12A7:e-, ovvero le scintille e le instabilità causate dall’accumulo di carica nel sottile strato dielettrico sulla superficie del materiale, che causano malfunzionamenti e persino fusione. La nostra soluzione – tecniche di accoppiamento di carica tramite la polarizzazione pulsata del materiale – è stata brevettata», osserva Post. Inoltre, la polarizzazione pulsata ha fornito il doppio della corrente emessa e ha consentito al consorzio di avviare l’emissione di elettroni a temperature ancora più basse di quelle registrate in letteratura. Sono stati sviluppati e collaudati con successo diversi prototipi che utilizzano propellenti a base di xeno, argon, cripton, iodio e ammoniaca. Questi sono stati accoppiati efficacemente a propulsori commerciali a effetto Hall (HET, Hall-effect thrusters) e hanno ottenuto fattori di merito a rendimento elevato.
L’indipendenza europea nella propulsione satellitare economica
NEMESIS ha sensibilizzato l’industria spaziale europea tramite 24 presentazioni a nove conferenze e workshop internazionali, nonché con otto pubblicazioni sottoposte a revisione paritaria, promuovendo l’adozione precoce e la competitività. Dal completamento del progetto, sono stati assegnati tre progetti di proseguimento e sono stati firmati due accordi di collaborazione industriale. L’Europa è sulla buona strada per fornire al suo mercato in forte espansione dei piccoli satelliti una propulsione elettrica economica, a basso consumo energetico e ad alte prestazioni, migliorando la competitività in un mercato globale in crescita.
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