Il nuovo motore satellitare "azionato ad aria" può essere inalato direttamente nell'atmosfera terrestre come carburante e potrebbe rimanere in orbita indefinitamente in futuro.

Riassunto:

Un nuovo motore satellitare in grado di utilizzare direttamente l'atmosfera superiore della Terra come propellente sta attirando l'attenzione dell'industria aerospaziale.

Il concetto nasce dal lavoro di dottorato di Francesco Romano, ricercatore presso l'Università di Stoccarda in Germania. L'idea centrale è quella di convertire le molecole atmosferiche che originariamente rallentavano il satellite in carburante per il sistema di propulsione, trasformando così i fattori che ostacolano il funzionamento del satellite nella fonte di energia necessaria per mantenere l'orbita.

Nella regione dell'orbita terrestre ultra-bassa, che dista circa 100-450 chilometri dalla Terra, i satelliti possono ottenere molti vantaggi unici. Essendo più vicine al suolo, le apparecchiature di telerilevamento possono catturare immagini più chiare, mentre i sistemi di comunicazione e radar richiedono molta meno energia. Allo stesso tempo, la resistenza atmosferica in quest’area può anche trascinare naturalmente il satellite nell’atmosfera e bruciarlo dopo la sua demolizione, riducendo così il problema dell’accumulo a lungo termine di detriti spaziali.

Tuttavia, questi vantaggi comportano un grave inconveniente.

Anche a un'altitudine di centinaia di chilometri, l'atmosfera residua continuerà a rallentare i satelliti. Se la spinta non viene continuamente ripristinata, l'altitudine orbitale del satellite diminuirà gradualmente e alla fine cadrà nell'atmosfera. Pertanto, i satelliti che attualmente operano in orbite più basse di solito si affidano a sistemi di propulsione a bordo per effettuare correzioni regolari dell’orbita, e questi sistemi di propulsione devono trasportare riserve limitate di carburante.

I sistemi di propulsione elettrica tradizionali utilizzano per lo più propellenti costosi come lo xeno. Una volta esaurito il carburante, la vita della missione del satellite è solitamente costretta a terminare, indipendentemente dal fatto che il satellite stesso sia ancora intatto.

La soluzione proposta da Romano appartiene al "sistema di propulsione elettrica a respirazione atmosferica". A differenza dei metodi tradizionali, questo sistema raccoglie direttamente l’atmosfera sottile in arrivo durante il volo, introduce le molecole di gas nel motore e quindi utilizza un campo elettrico per convertire queste molecole in plasma, che viene poi espulso all’indietro per generare la propulsione.

In teoria, finché il satellite si trova ancora a un'altitudine orbitale con gas residuo, può continuare a ottenere una fonte di propellente senza dover trasportare una grande quantità di carburante aggiuntivo.

Tuttavia, trasformare questa idea apparentemente semplice in realtà non è facile.

I ricercatori sottolineano che una delle sfide più grandi negli ambienti con orbita ultra-bassa deriva dall'ossigeno atomico. Nell'atmosfera superiore, la luce ultravioletta scompone l'ossigeno ordinario in ossigeno monoatomico. Questa sostanza ha una capacità ossidante estremamente forte e corroderà rapidamente componenti chiave come elettrodi metallici, griglie acceleratrici e catodi nei tradizionali motori a ioni.

In particolare, il sistema catodico, responsabile della neutralizzazione della carica, è il più suscettibile ai danni. Una volta che il catodo si guasta, il satellite non sarà in grado di rilasciare normalmente particelle cariche e anche il sistema di propulsione perderà la sua funzione.

Inoltre, l'atmosfera superiore non è un ambiente stabile. La densità del gas fluttua con i cambiamenti del giorno e della notte, dell'attività solare e della posizione orbitale, il che aumenta ulteriormente la difficoltà di progettazione del sistema di propulsione.

Per far fronte a questi problemi, Romano ha progettato un nuovo tipo di propulsore al plasma con onde a spirale a radiofrequenza. Rispetto ai tradizionali motori a ioni, questo progetto non si basa su neutralizzatori e sistemi catodici suscettibili alla corrosione e realizza compiti di propulsione generando un getto di plasma quasi neutro che contiene ioni sia positivi che negativi.

Il gruppo di ricerca ha inoltre sviluppato strutture specializzate per la raccolta dell'atmosfera. Il più efficace è un dispositivo di aspirazione dell'aria con una struttura a specchio parabolico. Negli esperimenti, questo progetto è stato in grado di catturare circa il 94,3% delle molecole di gas in arrivo. Anche se l’atteggiamento del satellite si discosta in una certa misura, il calo nell’efficienza della raccolta è relativamente limitato.

La parte centrale del propulsore adotta un design strutturale simile all'"antenna a gabbia per uccelli" delle apparecchiature per la risonanza magnetica. I risultati dei test mostrano che questa soluzione può trasmettere circa il 99% dell’energia a radiofrequenza nel propulsore, riducendo significativamente la perdita di energia causata dalla tradizionale struttura a bobina.

I risultati delle simulazioni di laboratorio mostrano che il sistema di propulsione richiede solo da 50 a 60 watt di potenza per formare un flusso di plasma stabile e, in un ambiente orbitale reale, la potenza richiesta per mantenere il funzionamento continuo dovrebbe essere inferiore a 1,6 kilowatt. I ricercatori ritengono che questa domanda possa essere pienamente soddisfatta dai normali pannelli solari.

Secondo i calcoli del modello, se le prestazioni del sistema soddisfano le aspettative, il satellite può mantenere un'orbita a un'altitudine compresa tra circa 190 e 250 chilometri per lungo tempo senza la necessità di rifornire i propellenti tradizionali. Ciò non solo significa che la durata della missione può essere significativamente estesa, ma anche la qualità del lancio e il costo della missione possono essere ridotti.

I ricercatori hanno sottolineato che questa tecnologia è ancora in fase di verifica sperimentale e di modellazione teorica e non è stata ancora testata da missioni spaziali reali. La sua affidabilità a lungo termine, l’adattabilità all’ambiente orbitale e l’effettiva efficienza di propulsione devono ancora essere ulteriormente verificate.

Nonostante ciò, l'industria ritiene generalmente che i sistemi di propulsione a respirazione atmosferica rappresentino una direzione importante per lo sviluppo di satelliti in orbita ultra-bassa. Se implementati con successo in futuro, si prevede che la prossima generazione di satelliti per l’osservazione della Terra, satelliti per le comunicazioni e persino altre sonde planetarie faranno affidamento sul gas naturale presente nell’ambiente circostante per mantenere il funzionamento, eliminando così la dipendenza dai propellenti tradizionali.