Un’impressione artistica di un veicolo spaziale alimentato da propulsione elettrica. (Credito immagine: NASA) I veicoli spaziali alimentati da propulsione elettrica potrebbero presto essere meglio protetti contro i loro stessi scarichi, grazie a nuove simulazioni su supercomputer. La propulsione elettrica è un’alternativa più efficiente ai razzi chimici tradizionali ed è sempre più utilizzata nelle missioni spaziali, iniziando con prototipi su Deep Space 1 della NASA e SMART-1 dell’Agenzia Spaziale Europea nel 1998 e 2003, rispettivamente, e successivamente trovando impiego in missioni scientifiche di punta come le missioni Dawn e Psyche della NASA verso la cintura degli asteroidi. Ci sono persino piani per utilizzare la propulsione elettrica sulla stazione spaziale Lunar Gateway della NASA.
L’idea alla base della propulsione elettrica è che una corrente elettrica ionizza (cioè rimuove un elettrone da) atomi di un gas neutro, come lo xeno o il kripton, immagazzinato a bordo di un veicolo spaziale. Il processo di ionizzazione produce una nube di ioni ed elettroni. Poi un principio chiamato effetto Hall genera un campo elettrico che accelera gli ioni e gli elettroni e li canalizza in un caratteristico pennacchio blu che emerge dal veicolo spaziale a oltre 60.000 km/h. Pertanto, un sistema di propulsione elettrica è anche chiamato motore a ioni. Secondo la terza legge del moto di Sir Isaac Newton, ogni azione ha una reazione uguale e contraria. Il pennacchio di ioni che fuoriesce dal veicolo spaziale agisce quindi per fornire spinta. Ci vuole un po’ di tempo per accumulare slancio, tuttavia, perché, nonostante si muova ad alta velocità, il pennacchio di ioni è piuttosto raro. L’impulso generato non è immediatamente potente come un razzo chimico, ma i motori a ioni richiedono meno carburante e quindi meno massa, il che riduce i costi di lancio, e i motori a ioni non consumano tutto il loro carburante rapidamente come fanno i razzi chimici.
L’energia per i campi elettromagnetici è spesso fornita da pannelli solari, e quindi la tecnologia è talvolta chiamata propulsione elettrica solare. Ma per le missioni più lontane dal sole, dove la luce solare è più debole, l’energia nucleare sotto forma di generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG) può anche essere utilizzata per alimentare la propulsione elettrica. Sebbene la propulsione elettrica stia ora maturando e venga utilizzata in una varietà di missioni, non è una tecnologia perfetta. Un problema in particolare è che il pennacchio di ioni può danneggiare un veicolo spaziale. Sebbene il pennacchio sia puntato lontano dalla sonda, gli elettroni nel pennacchio possono essere reindirizzati, muovendosi contro la direzione di viaggio del pennacchio e colpendo il veicolo spaziale, danneggiando i pannelli solari, le antenne di comunicazione e qualsiasi altro componente esposto. Basta dire che questo non è buono per la sonda.
“Per le missioni che potrebbero durare anni, i propulsori [a propulsione elettrica] devono funzionare senza intoppi e costantemente per lunghi periodi di tempo,” ha detto Chen Cui della University of Virginia School of Engineering and Applied Science in una dichiarazione. Prima che possano essere messe in atto soluzioni per proteggere un veicolo spaziale da questi elettroni retro-diffusi, il loro comportamento in un pennacchio di motore a ioni deve prima essere compreso, ed è qui che entrano in gioco Cui e Joseph Wang della University of Southern California. Hanno eseguito simulazioni su supercomputer dello scarico di un motore a ioni, modellando il comportamento termodinamico degli elettroni e come influenzano le caratteristiche complessive del pennacchio.
“Queste particelle possono essere piccole, ma il loro movimento e la loro energia giocano un ruolo importante nel determinare la dinamica macroscopica del pennacchio emesso dal propulsore a propulsione elettrica,” ha detto Cui. Ciò che Cui e Wang hanno scoperto è che gli elettroni nel pennacchio si comportano diversamente a seconda della loro temperatura e della loro velocità. “Gli elettroni sono molto simili a biglie imballate in un tubo,” ha detto Cui. “All’interno del raggio, gli elettroni sono caldi e si muovono velocemente. La loro temperatura non cambia molto se si va lungo la direzione del raggio. Tuttavia, se le ‘biglie’ rotolano fuori dal centro del tubo, iniziano a raffreddarsi. Questo raffreddamento avviene più in una certa direzione, la direzione perpendicolare alla direzione del raggio.” In altre parole, gli elettroni nel nucleo del raggio che si muovono più velocemente hanno una temperatura più o meno costante, ma quelli all’esterno si raffreddano più velocemente, rallentano e si spostano fuori dal raggio, potenzialmente retro-diffondendosi e colpendo il veicolo spaziale.
Ora che gli scienziati comprendono meglio il comportamento degli elettroni nel pennacchio di ioni, possono incorporare questo nelle progettazioni dei futuri motori a propulsione elettrica, cercando modi per limitare la retro-diffusione, o forse confinare maggiormente gli elettroni al nucleo del raggio. In definitiva, questo potrebbe aiutare le missioni alimentate da propulsione elettrica a volare più lontano e per più tempo, spinte dalla dolce brezza blu del loro pennacchio di ioni.