I propulsori

Quando la maggior parte delle persone pensa ai viaggi nello spazio, immagina razzi come il torreggiante Saturno V che ha inviato gli astronauti dell’Apollo sulla luna.

Gran parte di quell’enorme razzo consisteva nel combustibile che bruciava per lanciare in orbita una minuscola capsula spaziale che trasportava l’equipaggio. Lì, liberi dalla gravità terrestre, piccoli scoppi di propulsori, che bruciavano carburante, guidarono la capsula spaziale Apollo verso la luna e ritorno.

Da allora, gli scienziati hanno sviluppato tecnologie di propulsione alternative che non bruciano combustibili pesanti. Invece, questi propulsori ionizzano gas stabili come lo xeno e il krypton, usando l’elettricità delle celle solari per rimuovere gli elettroni dagli atomi di gas al fine di creare un flusso di ioni caricati positivamente, chiamati plasma. L’astronave espelle questo plasma fuori dal suo scarico per spingersi attraverso il vuoto senza peso.

Tali propulsori, noti come electric propulsion engines, o propulsori al plasma, attualmente consentono a centinaia di satelliti GPS (militari e di comunicazione) di apportare piccole correzioni di rotta e mantenere orbite stabili. 

I nuovi propulsori

Ma ora gli scienziati stanno sviluppando una nuova generazione di propulsori ionici in grado di inviare veicoli spaziali in missioni a lunga distanza in tutto il sistema solare, come il modulo Deep Space 1 che ha visitato l’asteroide 9969 Braille e la cometa Borrelly e il veicolo spaziale Dawn che ha viaggiato verso la fascia di asteroidi tra Marte e Giove.

I propulsori al plasma rappresentano il futuro dell’esplorazione spaziale“, ha affermato Ken Hara, assistente professore di aeronautica e astronautica, che sta aiutando a sviluppare modelli di computer per rendere i motori a ioni più potenti, efficienti e utili.

Hara afferma che i propulsori al plasma presentano numerosi vantaggi rispetto ai loro predecessori. Per cominciare, i gas ionizzati usati come propellenti nei propulsori al plasma pesano meno dei carburanti bruciati dai propulsori dell’era Apollo. Ogni chilo risparmiato dal veicolo spaziale, diminuendo il suo carico di carburante, dà la possibilità di poter trasportare un carico scientifico maggiore. Inoltre, una volta che un velivolo alimentato al plasma è nello spazio, può accelerare nel tempo in un modo in cui un velivolo a combustione non può, dando alla fine a questi motori leggeri anche un vantaggio di velocità.

Velocità di scarico

Comprendere ciò implica conoscere un un concetto chiamato velocità di scarico, ossia la velocità alla quale un propellente esce da un motore. Un motore a combustione tradizionale brucia un enorme volume di carburante ma a una bassa velocità di scarico, una combinazione che produce un’enorme spinta. Pensa a un razzo sulla piattaforma di lancio, che inizialmente si muove lentamente quando viene sollevato da un grande flusso di fiamme, quindi accelera mentre l’enorme spinta generata rompe la presa della gravità e scaglia il razzo verso il cielo.

Al contrario, un motore al plasma è progettato per un ambiente diverso, che spinge un veicolo spaziale che si trova già in un ambiente a bassa o nessuna gravità. Il motore al plasma lo fa emettendo particelle ionizzate a velocità di scarico estremamente elevate, ma volumi molto bassi, spingendo il veicolo spaziale con ciò che potrebbe essere paragonato a soffi generati dal respiro. Nel vuoto dello spazio, senza nulla che diminuisca lo slancio in avanti del veicolo spaziale, questi sbuffi di spinta ionizzata consentono alla nave di aumentare la velocità nel tempo, andando più veloce e più lontano del veicolo spaziale a combustione.

Elaborazione di modeilli a computer

Hara, che è stata recentemente onorato dalla Electric Rocket Propulsion Society, sta creando modelli di computer per aiutare a migliorare ulteriormente i propulsori al plasma esplorando come questi materiali possano raggiungere velocità di scarico più veloci e più potenti. 

Per fare ciò, ha bisogno di sviluppare modelli computazionali che risolvano nuove equazioni e verificino che siano corretti sotto rigorose analisi matematiche. Deve quindi convalidare questi risultati confrontando le sue previsioni matematiche con ciò che gli scienziati sperimentali dimostrano nei propulsori al plasma del mondo reale. “Siamo matematicamente validi e i nostri modelli sono fisicamente corretti?” Chiede Hara retoricamente. “Ecco dove è la mia verità“.

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