venerdì, 10 Luglio, 2020

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Propulsione al plasma per il motore a zero emissioni

Cina e Stati Uniti lavorano a sistemi propulsivi più efficienti e con zero emissioni

I combustibili fossili rappresentano da sempre la principale fonte di energia, soprattutto nel settore dei trasporti. Queste risorse, oltre ad essere limitate e poco stabili, sono anche la più grande fonte di emissioni e causa di problemi respiratori.
La ricerca, in particolare in campo aerospaziale, sta facendo grandi progressi per trovare metodi di propulsione innovativa, più sicura ed efficiente. In questi termini, la propulsione al plasma rappresenta una delle soluzioni più promettenti alle criticità della propulsione chimica.

Il prototipo cinese di propulsore al plasma

Il plasma è uno stato di materia presente in natura, si trova sulla superficie del Sole e nei fulmini terrestri ad esempio. Essenzialmente è una miscela quasi neutra di gas, composta da particelle cariche e neutre che interagiscono tra loro.
Oltre che ad essere presente naturalmente si può anche generare in un flusso ad elevata temperatura, come accade durante i rientri in atmosfera a velocità ipersoniche.

Un gruppo di ricercatori del ITS (Institute of Technological Sciences) dell’Università di Wuhan, ha dimostrato la fattibilità di un propulsore che utilizza microonde per produrre spinta.
Questo dispositivo è costituito da un magnetron di 1 kW a 2.45 GHz, ovvero un generatore di microonde, un compressore d’aria, un alimentatore ed un tubo di quarzo al cui interno si sviluppa il getto di plasma.

Propulsione al plasma
Diagramma schematico dell’esperimento e foto del getto di plasma durante alcune prove
Credits:Jau Tang & Jun Li

La forza generata è stata misurata attraverso il sollevamento di una sfera di acciaio, di peso 117 g e diametro 75.5 mm, posta sulla bocca del tubo di quarzo dal diametro di 24 mm, dove l’aria pressurizzata viene trasformata in plasma passando attraverso una camera di ionizzazione a microonde.
In particolare è stata registrata una spinta di 10 Newton con 400 Watt di potenza, utilizzando una portata d’aria di 0.5 litri al secondo. A questa forza corrisponde una spinta di sollevamento di 28 N/kW e una pressione del getto di 24000 N/m2.
La spinta di pressione generata è comparabile, in scala, a quella dei motori a ciclo turbogas montati sui moderni jet civili. Questi risultati potrebbero portare alla progettazione di un prototipo di grandi dimensioni equipaggiato con una serie di più propulsori a microonde.

La soluzione del MIT di Boston

Anche il dipartimento di propulsione elettrica applicata all’aeronautica del MIT (Massachusetts Institute of Technology) ha testato con successo un nuovo prototipo che genera spinta sfruttando il plasma. In questo caso però non è ottenuto attraverso un generatore di microonde e aria compressa ma è generato da una forte differenza di potenziale elettrico (+ 20000 Volt e – 20000 Volt) tra due fili posizionati sui bordi d’attacco.

Propulsione al plasma
Schematizzazione del prototipo presentato dal MIT
Credits: MIT

Il campo elettrico indotto è tale da ionizzare le molecole di azoto presenti in atmosfera e provocare la nascita di quello che si definisce vento ionico. Il flusso che si instaura fa si che le molecole d’aria spinte verso le ali generino una aliquota di portanza sufficiente.

Collisione di molecole con il profilo e generazione di portanza

La massa totale del velivolo, incluse le batterie a litio polimeriche, è di 2.26 kg. Per generare l’elevata differenza di potenziale sono invece necessari quasi 400 Watt di potenza.
Il primo volo di un aereo a propulsione al plasma è stato effettuato nella palestra del centro atletico del MIT, lunga circa 60 metri: il prototipo ha percorso l’intera distanza in più di 10 voli effettuati.

Dawn: la propulsione al plasma nello spazio

Lanciata nel 2007, la sonda Dawn della NASA ha viaggiato per oltre 6.9 milioni di km verso la fascia di asteroidi per studiare i due protopianeti Vesta e Cerere.

I numeri della sonda Dawn
Credits: NASA

Dawn è stata la prima sonda ad adottare un propulsore diverso da quelli chimici, in particolare 3 motori a ioni (operandone uno alla volta). Il principio di funzionamento si basa sull’utilizzo di un campo elettrico per l’accelerazione degli ioni presenti nello Xeno a velocità circa 8-9 volte maggiori di quelle raggiunte dai motori chimici.
Questo tipo di tecnologia permette di ottenere un elevato impulso specifico con una bassa spinta. Come conseguenza, i propulsori di Dawn sono stati accesi per il 54% del tempo che la sonda ha trascorso nello spazio.

Le prestazioni di un propulsore ionico si possono comprendere meglio analizzando il deltaV fornito durante l’intera missione. Infatti, sebbene la spinta sia molto bassa, la quantità di cambio di velocità fornito è comparabile alla spinta che produce un razzo Delta II che trasporta tutti i 9 boosters più i 3 stadi: un valore mai raggiungibile con propulsori chimici.

La spinta del vettore Delta II è paragonabile al DV garantito dalla sonda Dawn
Credits: NASA

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