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May 18, 2023

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Nature volume 599, pagine 411–415 (2021) Cita questo articolo 43k Accessi 36 Citazioni 393 Dettagli sulle metriche alternative La propulsione è un sottosistema critico di molti veicoli spaziali1,2,3,4. Per un propellente efficiente

Natura volume 599, pagine 411–415 (2021)Citare questo articolo

43k accessi

36 citazioni

393 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

La propulsione è un sottosistema critico di molti veicoli spaziali1,2,3,4. Per un utilizzo efficiente del propellente, i sistemi di propulsione elettrica basati sull’accelerazione elettrostatica degli ioni formati durante la ionizzazione per impatto elettronico di un gas sono particolarmente interessanti5,6. Attualmente lo xeno viene utilizzato quasi esclusivamente come propellente ionizzabile per la propulsione spaziale2,3,4,5. Tuttavia, lo xeno è raro, deve essere immagazzinato ad alta pressione e la produzione commerciale è costosa7,8,9. Qui dimostriamo un sistema di propulsione che utilizza propellente allo iodio e presentiamo i risultati in orbita di questa nuova tecnologia. Lo iodio biatomico viene immagazzinato come solido e sublimato a basse temperature. Viene quindi prodotto un plasma con un'antenna induttiva a radiofrequenza e mostriamo che l'efficienza di ionizzazione è migliorata rispetto allo xeno. Sia gli ioni di iodio atomici che quelli molecolari vengono accelerati da griglie ad alta tensione per generare spinta e un fascio altamente collimato può essere prodotto con una sostanziale dissociazione dello iodio. Il sistema di propulsione è stato utilizzato con successo nello spazio a bordo di un piccolo satellite con manovre confermate utilizzando i dati di localizzazione satellitare. Prevediamo che questi risultati accelereranno l’adozione di propellenti alternativi nell’industria spaziale e dimostreranno il potenziale dello iodio per un’ampia gamma di missioni spaziali. Ad esempio, lo iodio consente una sostanziale miniaturizzazione e semplificazione del sistema, che fornisce ai piccoli satelliti e alle costellazioni di satelliti nuove capacità di dispiegamento, prevenzione delle collisioni, smaltimento a fine vita ed esplorazione dello spazio10,11,12,13,14.

I veicoli spaziali necessitano di propulsione per eseguire manovre nello spazio, come trasferimenti in orbita, evitare collisioni, mantenimento dell'orbita per compensare perturbazioni aerodinamiche o gravitazionali e smaltimento a fine vita1. La scelta della tecnologia di propulsione, in particolare la velocità di scarico, determina la massa di propellente necessaria. La propulsione elettrica5,15 utilizza l'energia elettrica per accelerare un propellente (tramite campi elettrici e/o magnetici) e può raggiungere velocità di scarico che sono un ordine di grandezza superiore rispetto alla propulsione chimica (che utilizza l'energia derivante dalle reazioni chimiche per l'accelerazione del propellente). Alcuni dei sistemi di propulsione elettrica di maggior successo includono propulsori ionici a griglia e Hall5, che creano un plasma attraverso la ionizzazione per impatto elettronico di un gas6 e accelerano elettrostaticamente gli ioni per generare spinta. Oltre ad essere utilizzati da molti satelliti commerciali in orbita attorno alla Terra, tali sistemi di propulsione vengono utilizzati anche per l’esplorazione spaziale. Gli esempi includono la missione SMART-1 dell'Agenzia spaziale europea sulla Luna2, la missione Dawn della NASA che ha studiato i protopianeti Cerere e Vesta nella fascia di asteroidi tra Marte e Giove16, e le missioni di ritorno di campioni Hayabusa1 e Hayabusa2 dell'Agenzia spaziale giapponese. Asteroidi terrestri 25143 Itokawa17 e 162173 Ryugu18.

Poiché i veicoli spaziali hanno una potenza limitata, i sistemi di propulsione elettrica devono massimizzare il loro rapporto spinta-potenza, che per gli acceleratori elettrostatici richiede un propellente con una soglia di ionizzazione bassa e un’elevata massa atomica5. Attualmente il propellente preferito è lo xeno. Tuttavia, lo xeno è molto raro (meno di una parte su dieci milioni nell’atmosfera) e la produzione commerciale è costosa e limitata7,8,9. Esistono anche applicazioni concorrenti che utilizzano lo xeno, tra cui l'illuminazione e l'imaging, gli anestetici negli ospedali9,19 e l'incisione nell'industria dei semiconduttori20. Con l’aumento delle megacostellazioni satellitari21,22,23, la domanda di xeno potrebbe superare l’offerta entro i prossimi dieci anni. Un ulteriore svantaggio è che lo xeno deve essere immagazzinato a pressioni molto elevate (tipicamente 10-20 MPa), il che richiede attrezzature di carico specializzate e personale addestrato, rendendolo incompatibile con il paradigma del "nuovo spazio". Per la sostenibilità a lungo termine dell’industria spaziale, è fondamentale trovare un propellente sostitutivo.