Il progetto AETHER rivoluzionerà il mondo della propulsione spaziale

Un elemento essenziale per un utilizzo efficace dello spazio è l’attitudine di un sistema propulsivo adottato di massimizzare sia le prestazioni del propulsore sia l’efficienza del propellente. Questo assicura una missione di durata più lunga come la possibilità di una diminuzione di costi di ciascuna missione. Ecco perchè diversi progetti sono incentrati nella propulsione spaziale, tra cui il progetto AETHER.

Negli ultimi anni, la sfida di molti veicoli spaziali è caratterizzata dall’abilità di volare molto più vicino alla superficie terrestre, in una regione chiamata VLEO ovvero Very Low Earth Orbit, in cui i veicoli spaziali operano in orbite terrestri comprese tra i 160 km e i 250 km (a differenza della regione LEO, Low Earth Orbit che è compresa in un intervallo tra 250 km e i 2000 km). Questa regione rappresenterebbe un punto ideale per osservare la Terra, fornendo migliori servizi di telecomunicazione, di risoluzione per l’osservazione di missioni e nuove opportunità scientifiche per l’indagine sia del campo gravitazionale terrestre sia degli strati superiori dell’atmosfera.

Il grande “nemico” dei veicoli in VLEO

Il principale problema per i veicoli spaziali orbitanti nella zona VLEO è rappresentato dalla resistenza aerodinamica che aumenta rapidamente quando si diminuisce l’altitudine operativa. Sotto i 200 km di altitudine, un’eccessiva sollecitazione tra le forze di attrito porterebbe a un rapido decadimento dell’orbita del veicolo. A causa dell’interazione con l’atmosfera residua è necessario quindi un sistema di propulsione in grado di generare una spinta tale da vincere la forza aerodinamica .

La soluzione del progetto AETHER che utilizza la tecnologia di propulsione RAM-EP

La durata di una navicella spaziale tradizionale è limitata dalla quantità di propellente a bordo e l’aumento di tale quantità implica un aumento delle dimensioni del veicolo spaziale e di conseguenza una maggiore resistenza aerodinamica. Il progetto AETHER (gestito dalla Sitael Propulsion Division) cercherebbe proprio di servirsi dell’atmosfera stessa come propellente, mirando alla realizzazione di un propulsore RAM-EP (noto anche come tecnologia di propulsione elettrica a respirazione d’aria): partendo dall’aspirazione realizzerebbe lo stadio di ionizzazione fino ad arrivare allo stadio di accelerazione, mantenendo il veicolo spaziale in un’orbita terrestre molto bassa.

Il concetto RAM-EP introdurrebbe nel sistema di propulsione, attraverso un collettore di aspirazione (parte del motore che fornisce uniformemente la miscela di combustione), le molecole di gas atmosferico circostante indirizzandole al propulsore/acceleratore, eventualmente aumentando la pressione in una fase di compressione. L’atmosfera residua raccolta verrebbe quindi ionizzata dal propulsore, accelerata ed espulsa ad alta velocità di scarico per generare spinta.

Di conseguenza, l’adozione del dispositivo RAM-EP fornirebbe la generazione di spinta VLEO senza alcun propellente a bordo! Ciò consentirebbe di mitigare i limiti alla vita del veicolo spaziale imposta dalla resistenza aerodinamica, riducendo, allo stesso tempo, la sua massa bagnata totale (massa iniziale totale del veicolo spaziale compreso il suo contenuto e il propellente). Inoltre, un sistema di alimentazione composto da pannelli solari e batterie sarebbe in grado generare potenza elettrica necessaria.

Di quali stadi si compone un propulsore elettrico a respirazione d’aria

Il veicolo spaziale, muovendosi secondo la propria orbita, si compone di una presa anteriore per raccogliere e comprimere il flusso atmosferico rarefatto (questo proviene dall’esterno con velocità effettiva di circa 8 km/s), di uno stadio di ionizzazione per ionizzare il flusso raccolto dalla presa ed infine di uno stadio di accelerazione in cui le particelle ionizzate incrementano la loro velocità.

Per bilanciare il fascio di ioni e sostenere lo scarico vengono utilizzati dei neutralizzatori o dei catodi. Si raggiungerà quindi un buon livello di ionizzazione e di generazione del plasma (insieme quasi neutro di particelle cariche e neutre aventi comportamenti collettivi come gas ionizzato) quando si avrà un elevato rapporto di compressione (indice di funzionamento di una macchina termica, motrice o operatrice) di circa 100 e una bassa efficienza di raccolta (tasso di cattura dipendente dall’efficienza di collisione aerodinamica ed efficienza di adesione) di circa 30% . Nella fase finale, l’accelerazione elettrostatica è utilizzata per ottenere una velocità di scarico (velocità di uscita dal sistema propulsivo) di circa 50 km/s e quindi compensare la resistenza aerodinamica.

Quali sono le sfide che il progetto AETHER deve affrontare per sviluppare la tecnologia RAM-EP?

Diversi studi hanno concentrato il loro sviluppo sulle tecnologie critiche per la raccolta di flussi d’aria rarefatti e ionizzazione delle particelle atmosferiche. I problemi immediati dovuti all’innovativa tecnologia sarebbero le condizioni ambientali variabili dipendenti per la maggior parte dall’altitudine, dall’attività solare e dall’attività geomagnetica. Numerose parti strutturali e materiali adibiti alla protezione andrebbero incontro a processi di erosione spaziale (nota anche come space weathering) per la presenza di raggi cosmici solari o micrometeoriti. Inoltre, le superfici del sistema propulsivo, viaggiando in orbita terrestre bassa, sarebbero sottoposte a frequenti degradazioni da parte di materiali a causa della presenza di ossigeno atomico formato dall’atmosfera residua, causando danni graduali al veicolo stesso.

Quali materiali si utilizzeranno per questo tipo di propulsione

La durabilità dei materiali, che devono operare in un ambiente ossidativo e corrosivo, è il fattore limitante di vita più rilevante per la tecnologia di respirazione dell’aria. Per questo il progetto mira anche ad uno studio approfondito per lo sviluppo della conoscenza della scienza dei materiali oltre l’attuale stato dell’arte.

Si definiscono perciò materiali idonei al contatto prolungato con gas atmosferici corrosivi ionizzati e di conseguenza si realizzano modelli di prestazione del propulsore spaziale per un corretto dimensionamento
con i relativi parametri operativi, come ad esempio spinta e potenza. Le fasi che compongono il propulsore quali l’aspirazione, lo stadio di ionizzazione e gli stadi di accelerazione e neutralizzatore, si progettano sulla base dei requisiti funzionali, prestazionali e di interfaccia.

È possibile testare il propulsore?

Riprodurre a terra le condizioni ambientali per questa nuova tecnologia rappresenta una delle parti più impegnative di tutto il lavoro. Esperimenti realizzati dal progetto AETHER hanno ricreato un flusso rarefatto di particelle atmosferiche ovvero composto per la maggior parte da ossigeno atomico (O) e azoto molecolare (N2) che attraversano la presa d’aria ad una velocità media di 8 km/s. Questo è possibile grazie all’ausilio di un secondo sistema di propulsione elettrica posto di fronte all’ingresso del primo propulsore in modo da accelerare l’aria alla velocità desiderata.

Nonostante le attività condotte non hanno dimostrato ancora l’effettiva capacità dei sistemi EP di operare in modalità di respirazione d’aria, il raggiungimento di un funzionamento stabile dei dispositivi EP con miscele ossigeno-azoto iniettate direttamente ha dimostrato la fattibilità del concetto RAM-EP.

RAM-EP e i suoi unici vantaggi nella propulsione spaziale

A differenza dei tradizionali sistemi di propulsione elettrica, la disponibilità di un motore a respirazione d’aria permetterebbe una riduzione dei costi e della massa dei veicoli spaziali in orbita bassa, consentendo allo stesso tempo un intero spettro di missioni mai pensate prima. Altra novità d’interesse sarebbe quella di utilizzare risorse in loco per il propellente, cambiando radicalmente il paradigma della propulsione spaziale per le missioni in orbita.

Come parte di AETHER, il motore RAM-EP sarà sviluppato per ottenere il TRL5 (Technology Readiness Level, metodologia per misurare il grado di maturità di una tecnologia) e quindi porterà a un progresso tecnologico senza precedenti nella propulsione spaziale con respirazione d’aria. Ottenuto dalla collaborazione di diversi paesi d’Europa, il progetto AETHER consentirà all’Europa stessa di ottenere un ruolo di primo piano nello sfruttamento di VLEO.

I risultati futuri del progetto AETHER saranno quindi il perfezionamento di strumenti diagnostici teorici e avanzati e l’adeguata valutazione del grado di rappresentatività del flusso generato dal sistema propulsivo. La nuova tecnologia dimostrerà di prolungare la durata delle piattaforme in orbita terrestre bassa senza la necessità di propellente a bordo per l’utilizzo delle orbite VLEO sia per missioni scientifiche sia per scopi commerciali. L’idea RAM-EP potrà raggiungere un livello di maturità tecnologica sufficiente per perseguire nuovi scenari di missione, a partire dalle orbite VLEO alle missioni di esplorazione su altri pianeti con atmosfera (soprattutto Marte).

A cura di Lorenzo Iacopino.