A Spinoff a Day – La propulsione elettrospray

Motore F-1 Rocketdyne © CC Wikipedia – Anders Lagerås

Quando parliamo di propulsione, se c’è di mezzo NASA ci viene naturale pensare ai lanci mozzafiato del Saturn V che ha portato l’essere umano sulla Luna. I suoi enormi F-1 sono ancora oggi i motori a camera di combustione singola con la spinta più elevata mai prodotti. Il liftoff faceva scuotere il soffitto dei punti di osservazione a 5km di distanza. Oggi NASA sta lavorando su due fronti: SLS, il razzo più potente mai costruito, e i propulsori più silenziosi e delicati che abbiano mai volato.

Quando l’ingegnere John Ziemer arrivò al Jet Propulsion Laboratory nel 2000, uno dei suoi primi progetti fu quello di studiare una tecnologia di riduzione dei disturbi (DRS – Disturbance Reduction System) nei sistemi di propulsione, ciò che poi costituì il contributo NASA al progetto LISA Pathfinder di ESA. Questa missione ha lo scopo di misurare le sfuggenti onde gravitazionali nello spazio, ma persino l’impatto dei fotoni sulla scocca della sonda (impatto paragonabile all’appoggio di un moscerino) comprometterebbe i rilevamenti, e la funzione di DRS è proprio quella di contrastare queste influenze esterne. DRS dovrebbe anche essere eccezionalmente duraturo: la missione necessita di thruster con una vita operativa fino a 3.000 ore, mentre normalmente i propulsori vengono usati solo per brevi periodi di tempo.

LISA Pathfinder con i thruster di Busek © CC Wikipedia

Quando fu deciso il progetto di LISA Pathfinder, l’azienda Busek, specializzata in propulsione spaziale, stava lavorando allo sviluppo di thruster da utilizzare su nanosatelliti, e fu scelta per la fornitura dei propulsori più discreti, più silenziosi ed efficienti che abbiano mai volato: una tecnologia chiamata Elettrospray.

Il sistema funziona applicando un campo elettrostatico alla superficie di un liquido conduttivo ionizzato, come ad esempio sale sciolto, spiega Nate Demmons direttore del Busek’s Electrospray Group. La carica distorce la superficie in ciò che è conosciuto come Cono di Taylor. Ad una certa soglia di tensione, il campo elettrostatico prevale sulla tensione superficiale del liquido ed avviene un’emissione di spray dalla punta del cono. Queste piccole goccioline sono quindi accelerate elettrostaticamente per incrementare la potenza dei thruster, e con una pressione del vapore così bassa i liquidi ionizzati non evaporano nel vuoto dello spazio come la maggior parte dei fluidi.

Principio dell’elettrospray. Fonte: http://lmts.epfl.ch/MEMS-ion-source

La potenza dello spray, però, non è ancora così facile da controllare secondo Ziemer, il quale fa notare che ESA ha lavorato una decina d’anni per poter padroneggiare la tecnica, ma alla fine si è focalizzata su un altro sistema di propulsione per poter rimanere all’interno del budget. L’azienda Busek ha affinato la tecnologia sviluppando una valvola piezoelettrica in grado di gestire il flusso di propellente, pertanto LISA è stata lanciata con questo sistema nel 2015 ed è ad ora il primo mezzo spaziale con propulsione ad elettrospray.

Demmons racconta come dal 2008 la ricerca su questo sistema stia continuando, l’azienda da allora ha migliorato la tecnologia per poter conseguire il suo intento originario, quello di fornire propulsione ai nanosatelliti. I cubesats, piccoli ed economici, hanno specifiche di peso e ingombro che limitano l’installazione di motori o di sistemi che permettano loro di muoversi o di controllarne l’orbita. Busek ha prodotto propulsori elettrospray piccoli, leggeri ed efficienti, in grado di muoverli.

I thruster a ioni più tradizionali operano al 50/60% della loro efficienza perché l’altra metà dell’energia viene spesa nella generazione e gestione del plasma ionizzato che li fa funzionare. Il sistema elettrospray di Busek costruito per LISA Pathfinder opera al 70%.

Le applicazioni “esterne” di questa tecnologia sono al momento relativamente limitate e si focalizzano sui suoi componenti più che sul sistema completo, ad esempio i nanotubi in carbonio che emettono il campo elettrostatico sono stati introdotti in alcune università per l’uso nella microscopia elettronica; l’azienda sta ora attivamente esplorando altre applicazioni nel settore dei semiconduttori.

La tecnologia elettrospray © NASA / Veronica Remondini

Per approfondire:

L’Elettrospray [ITA]

Cono di Taylor [ITA]

Come funziona la propulsione elettrospray [ITA]

Sito di Busek [ENG]