Propulsione elettrica per ottimizzare le missioni a lungo termine

Propulsione elettrica: PPE (Power and Propulsion Element) per il Lunar Gateway. Credits: NASA

I sistemi di propulsione che fino a oggi hanno consentito il lancio di grandi vettori, come il Saturn V delle missioni Apollo, sono in grado di erogare spinte potenti e spettacolari generate dalla combustione di un cospicuo quantitativo di propellente. Nell’immaginario comune i lanci spaziali sono quindi parecchio rumorosi e pirotecnici.

Queste modalità di propulsione richiedono ovviamente un notevole sforzo economico e, per quanto così scenografiche, impongono molte limitazioni all’operatività una volta raggiunta l’orbita.

Oggigiorno, all’alba di una nuova era dell’esplorazione spaziale, si sta riflettendo sui futuri metodi di propulsione e sull’efficienza di tali sistemi nel corso di missioni di lunga durata.

Già impiegata per piccoli satelliti o sonde, la propulsione elettrica appare un’alternativa concreta e conveniente alla propulsione chimica. Essa consente infatti di risparmiare una notevole quantità di carburante (fino al 90%) e di incrementare le possibilità operative in orbita, sia planetaria sia interplanetaria.

Confronto tra il metodo chimico e il metodo elettrico

La propulsione chimica consiste essenzialmente nella combustione di uno o più propellenti e nella successiva espulsione degli stessi, generando così una reazione uguale e contraria alla direzione di fuoriuscita. Per consentire tale processo è ovviamente necessario procedere allo stivaggio di carburante e comburente (agente ossidante). Il problema essenziale riguarda la grande quantità di propellenti da caricare a bordo e le difficoltà che si riscontrano, una volta esaurite le fonti di combustione, nel modificare i parametri essenziali del moto, ovvero posizione, velocità e accelerazione del mezzo. La fase iniziale di spinta si esaurisce abbastanza rapidamente con un enorme quantitativo di energia consumata e vincolando il mezzo di trasporto a una traiettoria specifica e non modificabile.

Uno dei principali vantaggi della propulsione elettrica è invece proprio la riduzione della necessità di accumulo del carburante, poiché per generare la spinta viene impiegata energia solare o nucleare. Questa energia viene successivamente convertita e utilizzata per ionizzare, quindi caricare positivamente, il propellente. L’applicazione di un campo elettrostatico o elettromagnetico nella direzione dell’accelerazione consente di espellere gli ioni dal propulsore generando la spinta e raggiungendo velocità elevatissime.

Diagramma di funzionamento di un sistema a propulsione elettrica. Credits: NASA

Un parametro essenziale per comprendere l’incremento di velocità è il cosiddetto Impulso Specifico del motore (ISP), direttamente proporzionale alla variazione di velocità. L’ISP assume valori dell’ordine di 450 s nel caso di propulsione chimica a ossigeno e idrogeno liquidi, mentre raggiunge oltre 3.000 s nel caso di propulsione elettrica a ioni.

La velocità massima è di gran lunga maggiore rispetto a quella possibile con la propulsione chimica, seppure il valore della spinta risulti generalmente molto più basso di qualche ordine di grandezza. Ciò ha una conseguenza molto importante: bassi valori della spinta impediscono l’impiego della propulsione elettrica per le cosiddette manovre impulsive, ovvero istantanee. In altre parole, l’incremento di velocità avviene in tempi maggiori.

Ad ogni modo la propulsione elettrica consente di accelerare per tempi molto lunghi, nell’ordine di mesi o anni, permettendo inoltre rallentamenti e cambi della direzione del moto.

Un noto esempio di impiego di propulsione elettrica è stata la missione “Dawn” (lancio avvenuto nel 2007), durante la quale è stata inviata una sonda nell’orbita di Cerere e Vesta. Si rammenta inoltre la missione SMART-1 dell’Agenzia Spaziale Europea, finalizzata alla sperimentazione di nuove tecnologie spaziali e allo studio della Luna e della sua formazione, nella quale è stata lanciata una sonda dotata di un propulsore elettrico ionico alimentato da pannelli solari.

Ecco un interessante video illustrativo.

Potenza necessaria

I propulsori attualmente impiegati nell’industria spaziale hanno una potenza dell’ordine di 1–10 kW (chilowatt). Per le future missioni a lungo termine (ne è un esempio il Lunar Gateway) sono in fase di sviluppo propulsori con potenze maggiori di 60 kW, come il Power and Propulsion Element (PPE) che consentirà orbite lunari ed esplorazione della superficie per anni.

Questi sistemi rappresentano oggi il primo passo per l’esplorazione umana interplanetaria. Per un’eventuale missione umana su Marte di andata e ritorno si stima oggi la necessità di un veicolo con potenze comprese tra 400 kW e 2 MW (megawatt).

È probabile, per quanto sopra presentato, che per i futuri sistemi di propulsione si adotti una tipologia ibrida. Tecnologie che combinano propulsione chimica ed elettrica o propulsione termonucleare sono attualmente in fase di sviluppo e apriranno presto le porte ad una nuova era dell’esplorazione spaziale.

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Manuel De Luca

Ingegnere Civile Strutturista, M. Sc. in Ingegneria Aerospaziale. Pilota VDS avanzato. Attivo nell'ambito della ricerca in Ingegneria Strutturale nei seguenti campi: Reologia dei materiali; Stabilità dell'equilibrio elastico; Tensostrutture e strutture pneumatiche; Dinamica strutturale; Analisi strutturali per azioni termiche; Calcolo automatico.

2 risposte

  1. Andrea ha detto:

    …mmmm temo che l’articolo sia ampiamente fuorviante. La propulsione elettrica non e’ una alternativa a quella chimica. I vantaggi/svantaggi presentati qui non hanno motivo di esistere. Non si puo’ parlare di risparmio di combustile, Impulso specifico piu’ alto e tempi di accelerazione piu’ lunghi quando i livelli di Thrust erogati (unico parametro non citato ma che serve nell’arricolo) sono imparagonabile. L’elettrico eroga mN, il chimico eroga centinaia di tonnellate al secondo di spinta: migliaia di kN/s. Imparagonabile. Proprio in virtu’ di questo che i tempi per la generazione delle necessarie accelerazioni sono ESTREMAMENTE PIU’ LUNGHI, che rendono l’elettrico adatto SOLO per manovre di lunga durata (giorni/settimne/mesi) per transfer inerplanetari prevalentemente, ma non certo di lancio e controllo di assetto…e su quest’ultimo si sta migliorando ma non consente comunque un controllo “impulsivo”, cioe’ immediato. Caratteristiche imprescindibili per ogni sonda, navetta, spacecraft che viene lanciata. Tradotto: al CHIMICO non si rinuncia mai e mai si rinuncera’, sopratutto per il controllo di assetto e capacita’ di manovre come TCS e DSM. L’analisi non e’ corretta perche’ non viene citata la Thrust e le tecnoclogie propulsive elettriche vengono esaltate ma senza motivo perche’ comunque nettamente inferiori in prestazioni ai chimici. Qui non seguiamo il trend automobilistico. Sono gia’ parecchi anni che si lanciano sonde e satelliti con propulsione ANCHE elettrica, ma non e’ questa una soluzione alternativa.

    • Manuel De Luca ha detto:

      Buonasera Andrea. Come giustamente lei sottolinea la propulsione elettrica non può rappresentare un’alternativa alla propulsione chimica in tutte le fasi della missione. Nell’articolo non si fa infatti riferimento a manovre di lancio e controllo dell’assetto, procedure che appunto richiedono manovre impulsive non praticabili con un sistema a propulsione elettrica.
      Questa può essere utilizzata, nei veicoli dotati anche di sistema a propulsione chimica, nell’ambito di missioni di lunga durata, con velocità molto elevate ma raggiunte in tempi decisamente più estesi.
      Il confronto tra i valori di Impulso specifico è finalizzato a sottolineare per l’appunto i bassi valori di Thrust generati con il sistema elettrico.