IL MOTORE A IONI

Di Michael Martin-Smith


Il 24 Ottore 1998 è la data di nascita di un sistema di propulsione spaziale completamente nuovo, sebbene teorizzato a lungo: il motore a ioni. La prima missione spaziale della NASA del nuovo millennio, finalizzata a sperimentare in condizione di volo nuovi sistemi a basso prezzo e basso rischio per il prossimo secolo, con un razzo Delta 2, è destinata ad esplorare l'asteroide 1992KD nel Iuglio del 1999 e, se tutto andrà bene, a proseguire fino alla Cometa Borelly nel 2002. Il veicolo, Deep Space 1, dovrà verificare l'efficienza di 12 nuove tecnologie, tra le quali la propulsione ionica a gas xenon ed energia solare, sviluppata da Lewis (NASA); si tratta di sistemi di navigazione che oltre ad autoregolarsi, sono concentratori di energia solare. L'obiettivo é la riduzione dei costi, delle dimensioni e delle difficoltà delle future missioni interplanetarie robotizzate, per raggiungere con meno rischi obiettivi scientifici importanti. Dopo il lancio, sono già sotto test la telemetria e i pannelli solari, mentre la prima prova del motore a ioni era prevista intorno allo scorso 7 novembre. Questo articolo si propone di illustrare il motore a ioni e le sue potenzialità future.

La formula tipica della prestazione dei razzi è la seguente:

Vf = Ve*2.3Log10*(M1 / M0)

dove:

Quest'ultimo, in effetti, é il carico utile aggiunto alla massa strutturale; ed il rapporto che rappresenta le prestazioni di tutte le forme di propulsione a razzo ideate finora.

Tutte le combinazioni dei combustibili, motori a ioni, elettrici, i sistemi "mass driver", la fusione, la fissione, oppure motori ad anti-materia, sono metodologie atte ad aumentare o la massa espulsa al secondo, o la velocità dell' espulsione. Un altro valore, ovvero l’Impulso Specifico, é la misura della quantità di spinta per kg ottenuta da qualunque combustibile dato - in particolare, nel motore dello Space-Shuttle è di circa 460 secondi, il massimo che si puo’ fare con motori alimentati con normale combustibile liquido. I motori nucleari, in cui il combustibile viene bruciato da un reattore atomico anzichè da una reazione chimica, hanno potuto raggiungere i 900 - 1000 secondi di impulso specifico nei test fatti nei primi anni ‘70.

Il motore a ioni ha un funzionamento molto più lento e progressivo, rispetto al motore a combustione chimica, che si sviluppa nell’arco di mesi o anni, a livelli di spinta molto bassi. La sorgente di energia é separata dal propellente e consiste nell'elettricità in corrente continua, normalmente fornita da pannelli solari fotoelettrici, oppure - utilizzando una tecnologia più futuristica, dalla generazione nucleare - termoionica. Il propellente é fatto passare attraverso una corrente ad alta tensione ed un campo elettromagnetico, affinché i relativi atomi siano ionizzati, o messi a nudo delle loro coperture di elettroni; essendo particelle cariche, possono essere accelerate da un intenso campo elettrico fino a una velocità di 40 chilometri al secondo. Il risultato é un impulso specifico che puo’ arrivare fino a 5.000 secondi, 10 volte di più rispetto ai sistemi chimici migliori, nel corso di migliaia di ore.

Il segreto é che la spinta reale, invece di un migliaio di Newton, é generalmente di 18-70 mN nella versione più grande, o di 260 mN in quella più grande ancora che è in corso di sviluppo. Il motore a ioni non è quindi adatto per lanci che necessitano di spinte di enorme portata, ad esempio per raggiungere una accelerazione così forte da distaccarsi dalla potente gravità della terra. Comunque, nel vuoto dello spazio, fuori da 1 G, disponendo del tempo necessario, una spinta lenta, delicata e prolungata, man mano diventa sempre più grande. In assenza di attrito un ragazzo, se continuasse per il tempo necessario, riuscirebbe ad allontanare una grande nave da un molo con la sola spinta del pollice; nello stesso modo la spinta accumulata di un motore a ioni, a distanza di settimane, puo’ raggiungere una velocità impressionante.

La ricerca e lo sviluppo dei motori a ioni nel Regno Unito hanno avuto due fasi: la prima, dagli anni sessanta fino al 1975, ha prodottto un prototipo di motore capace di realizzare una spinta di 10 mN, in cui il mercurio era usato come propellente. Questo tipo di motore doveva servire a mantenere in orbita il grande satellite di ricerca e comunicazione Olympus, ma per motivi finanziari non é stato perfezionato in laboratorio in tempo utile per adempiere all'incarico. A metà degli anni ottanta, le ricerche hanno concentrato l’attenzione su una nuova versione, nella quale il mercurio è stato sostituito con un gas inerte, lo xeno, allo scopo di evitare il rischio della contaminazione degli strumenti dei satelliti. L’ UK-10, con un fascio ionico dal diametro di 10 cm focalizzato in un motore a raggi ionici dello stesso diametro, pesa relativamente poco; é stato svillupato dall' Agenzia di Ricerca e di Difesa a Farnborough e da Matra Marconi Space, con una sovvenzione della SEC, e adesso é stato messo in prova in laboratorio per più di 2000 ore, con impulsi quotidiani di 3, in preparazione della prima prova spaziale a bordo del satellite di ARTEMIS della SEC. Il lancio era previsto per il 1998, ma per motivi di bilancio, é probabile che non volerà prima del 2002. UK-10 può raggungere una spinta pari a 70 mN, sebbene funzioni più efficacemente a 25 mN.

L'efficienza e la spinta sono determinate dalla tensione di ionizzazione dall' anodo al catodo e dal tasso d'entrata del propellente. In particolare, le tensioni di ionizzazione di oltre 40 volt conducono all' erosione della sede di spinta e ad una riduzione della durata, mentre il tasso di utilizzazione del combustibile di 6 milligrammi al secondo produce 25 mN, all'interno di un campo di 1100 volt. Le applicazioni prese in considerazione sono il controllo d'assetto orbitale e il mantenimento dei satelliti sulle stazioni; perché si può ridurre di 10 volte il consumo di combustibile, quindi si possono ottenere notevoli aumenti di massa e di durata dell'orbita. Un esempio é la proposta di un satellite a basso costo con la funzione di aggiornare la mappatura delle risorse terrestri in cui una macchina fotografica con una risoluzione di 1-2 metri può essere messa in orbita a 300 chilometri, per 5 anni, su di un supporto di 270 chilogrammi. I costi del lancio possono quindi essere notevolmente ridotti in questo modo, per mezzo di lanciatori Pegasus XL.

Si possono ottenere delle spinte da LEO all' orbita geostazionaria molto più economicamente, anche se più lentamente, con motori a ioni. A questo scopo, un viaggio di 3 mesi non é un problema. Più drasticamente, il satellite polare solare Ulysses, di 370 chilogrammi, lanciato nel 1989, aveva richiesto uno Stadio Superiore Inerziale(*1) più un terzo stadio (Pay Assist Module) che pesa 20 tonnellate, affinchè si possa, tramite assist(*2) planetari, portarlo dall'orbita della terra all’area di Giove, prima che passi vicino al sole. Con un gruppo di motori a ioni, la stessa nave spaziale avrebbe richiesto 2,4 tonnellate di propellente, e avrebbe così potuto essere lanciata da un'Ariane 4! Si è calcolato che se la Stazione Spaziale Internazionale utilizzasse i motori a ioni per il controllo d'assetto anziché i razzi chimici, servirebbe solo 1 tonnellata di combustibile all'anno invece delle 10 previste con l'attuale sistema - si potrebbe pensare a una riduzione dei costi veramente notevole.

Nel 1997 il satellite del Hughes PanAmSat 5 ha utilizzato, per la prima volta, un piccolo motore funzionante a ioni di xeno per il controllo d'assetto. I motori a ioni UK-25, che sino ad ora hanno raggiunto un massimo di 260mN nelle prove, potrebbero forse salire a 500 mN. Potrebbero dunque essere utilizzati per spedire sonde veloci oltre il sistema solare esterno, fino al vicino spazio interstellare, con razzi Delta class. I costi sarebbero gli stessi delle missioni dei class "Discovery" che adesso stanno volando verso Marte e gli asteroidi. Mentre il motore NASA Lewis ora all’ opera su DS1 ha un fascio ionico di 30 cm di diametro, messo in prova in laboratorio per 8,000 ore di fila (quasi un anno!) - dimonstrando così la validità di una propulsione delicata e a lunga durata per incrementare la velocità, gli U.S.A. e il Regno Unito hanno già delle serie di motori a ioni pronte per volare, che saranno utilizzate sempre di più nell' industria spaziale del prossimo secolo. Il primo impiego pratico di un motore a ioni BRITANNICO, insieme al sistema a ioni tedesco RITA, potrebbe avvenire a bordo dell’ ARTEMIS della SEC, un satellite sperimentale avanzato per la comunicazione ottica. Uno dei primi utilizzi di un motore a ioni più piccolo (5-6 milliNewtons di spinta) che il Regno Unito e Russia stanno sviluppando, potrebbe invece aver luogo a bordo di un satellite, sensazionale per gli astronomi dilettanti, progettato per volare entro 2-3 anni - si tratterà niente meno che del telescopio spaziale Humble (se la raccolta di fondi avrà successo !!).

Un piccolo propulsore a ioni di questo tipo sarà utilizzato sul Muses-C di 370kg, Giapponese/NASA e una sonda, di cui è previsto il lancio nel 2002, andrà sull'asteroide Nereus, ne preleverà un campione e presumibilmente rientrerà nel 2006. Così, entro 5 anni, assisteremo ad un importante progresso nel campo della propulsione spaziale, cosa che è stata argomento di fantascienza per decenni. Dal momento che hanno una resa 10 volte superiore rispetto ai razzi chimici convenzionali, astronavi più piccole, veloci e durevoli diventeranno una possibilità e, ipso facto, i costi si abbasseranno e le possibilità di esplorazioni spaziali aumenteranno.

(I miei ringraziamenti vanno alla BritshInterplanetary Society, 27/9 South Lambeth Rd, London, SW8 1SZ, per il permesso di utilizzare il volume di JBIS nel maggio 1996 sui sistemi elettrici di propulsione come fonte di riferimento.)

-- Michael Martin-Smith


NOTE:

(*1) Stadio Superiore Inerziale - è un razzo a due stadi, attaccato ad Ulysses (usato anche per Galileo, alcuni comsat ed i primi voli dello Shuttle), utilizzato anche per spingere sonde spaziali in orbite più distanti, una volta liberati dalla stiva dello shuttle. Significa che tali payload possono essere lanicati dallo Shuttle, benchè lo shuttle stesso non viaggi più lontano di LEO (Low Earth Orbit).

(*2) Assist o Flyby planetario = utilizzare il campo gravitazionale di un pianeta per aggiungere o sottrarre velocita' ad una sonda spaziale in transito. Usato con grandi risultati per Voyager e Galileo. Ulysses era progettato per percorrere un'orbita polare intorno al Sole, per indagare sui fenomeni magnetici alle latitudini polari estreme del Sole, mai viste dalla Tearra. Cio' richiede un enorme cambio di velocità, quindi il veicolo ha dovuto andare oltre Giove e, per mezzo di un assist, essere spedito in un'orbita polare Nord-Sud, invece che in un'orbita equatoriale (ellittica). Non si avvicinò molto, ma passò circa 150 milioni di chilometri sopra i poli solari. Non è possibile ottenere una simile prospettiva 3 D dalla Terra.

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