Gli ingegneri del MIT stanno sviluppando un nuovo sistema di propulsione spaziale che combina i punti di forza dei tradizionali razzi chimici con l’efficienza e la precisione dei propulsori elettrici.
Questa tecnologia potrebbe conferire ai piccoli satelliti una flessibilità di gran lunga maggiore nello spazio. Invece di affidarsi a sistemi di alimentazione separati per diversi tipi di manovre, i futuri veicoli spaziali potrebbero utilizzare un unico propellente per eseguire sia movimenti rapidi che regolazioni lente e altamente controllate.
Al centro di questo approccio c’è un carburante specializzato che funziona sia con i sistemi di propulsione chimica che con quelli elettrici. Finora, queste tecnologie hanno generalmente richiesto propellenti e componenti separati, con conseguente aumento di peso e complessità.
“Se si possono avere propulsione chimica ed elettrica in un unico piccolo dispositivo, si ottiene il meglio di entrambi i mondi”, afferma Amelia Bruno, ex ricercatrice post-dottorato presso il Dipartimento di Aeronautica e Astronautica (AeroAstro) del MIT. “Questo apre la strada a piccoli satelliti in grado di svolgere ancora più attività scientifiche, osservazioni e missioni interessanti, il tutto su una piattaforma più piccola ed economica.”
Bruno è l’autore principale di un nuovo studio pubblicato sul Journal of Propulsion and Power . La ricerca dimostra che un “monopropellente ecologico”, originariamente sviluppato dall’aeronautica militare statunitense per la propulsione chimica, può alimentare con successo anche dei propulsori elettrici miniaturizzati noti come propulsori a elettrospray.
Combinazione di propulsione spaziale chimica ed elettrica
I propulsori a elettrospray sono minuscoli motori a razzo, all’incirca delle dimensioni di una moneta da dieci centesimi. Utilizzano campi elettrici per caricare le particelle in un propellente liquido e poi espellerle nello spazio, generando la spinta.
Questi propulsori sono estremamente efficienti in termini di consumo di carburante e si prestano bene a manovre graduali e precise. Ad esempio, possono spingere lentamente un veicolo spaziale attraverso lunghi viaggi interplanetari consumando pochissimo carburante.
I propulsori chimici hanno uno scopo diverso. Forniscono potenti impulsi di spinta che consentono ai veicoli spaziali di accelerare, decelerare, salire, scendere o cambiare posizione rapidamente.
I ricercatori del MIT ritengono che, individuando un propellente in grado di alimentare entrambi i sistemi, si possano ampliare significativamente le capacità dei piccoli satelliti.
Il team sta attualmente collaborando con la NASA alla missione Green Propulsion Dual Mode, un CubeSat delle dimensioni di una valigetta dotato di un propulsore chimico e quattro propulsori a elettrospray. Tutti questi propulsori saranno alimentati da un unico serbatoio. La missione rappresenterà il primo tentativo di testare questo tipo di sistema di propulsione a doppia modalità su un piccolo veicolo spaziale.
Se avrà successo, questa tecnologia potrebbe consentire ai piccoli satelliti di spingersi ben oltre l’orbita terrestre.
“Potremmo inviare CubeSat su Marte o nella fascia degli asteroidi, dove potrebbero compiere il viaggio lentamente, utilizzando propulsori a elettrospray”, afferma il coautore dello studio Paulo Lozano, professore di aeronautica e astronautica presso il MIT. “Potremmo quindi utilizzare i propulsori chimici per spostarci rapidamente e osservare caratteristiche interessanti. Avremmo molta più flessibilità per fare molte più cose.”
Perché i propellenti a liquido ionico sono importanti
Il laboratorio di Lozano sviluppa, produce e testa sistemi di propulsione a elettrospray per satelliti di dimensioni variabili, da una scatola per il pranzo a una piccola valigia da cabina.
Rispetto ai veicoli spaziali di dimensioni maggiori, questi satelliti compatti sono molto meno costosi da lanciare. Le loro dimensioni ridotte, tuttavia, richiedono sistemi di propulsione altrettanto compatti.
I propulsori a elettrospray soddisfano pienamente questo requisito. I dispositivi creati nel laboratorio di Lozano hanno all’incirca le dimensioni di un’unghia del pollice. Ogni propulsore si trova sopra un serbatoio contenente un propellente a base di liquido ionico. Quando collegato a una batteria, una carica elettrica viene applicata agli ioni presenti nel liquido. Queste particelle cariche vengono quindi espulse attraverso minuscole aperture nel propulsore, generando la spinta.
Nel corso dell’ultimo decennio, il gruppo di Lozano ha testato numerosi progetti in diverse condizioni operative e con una varietà di combustibili a liquido ionico.
“I liquidi ionici sono molto stabili e possono persino rimanere liquidi nello spazio, cosa che non molti materiali sono in grado di fare”, afferma Bruno. “Ed è fondamentalmente un mare di ioni, ed è per questo che basiamo la nostra tecnologia su di essi, in modo da poter estrarre questi ioni e convogliarli in un elettrospray.”
I ricercatori del MIT hanno anche collaborato con l’aeronautica militare statunitense, che ha sviluppato un nuovo carburante a liquido ionico noto come ASCENT (Advanced SpaceCraft Energetic Non-Toxic propellant). Il propellente era stato originariamente progettato per sistemi di propulsione chimica.
ASCENT è stato creato come alternativa più sicura all’idrazina, il combustibile altamente tossico tradizionalmente utilizzato in molti sistemi di propulsione dei veicoli spaziali.
“ASCENT è una miscela di liquidi ionici”, spiega Bruno. “E ci siamo detti: ‘Ehi, è proprio il tipo di liquido che usiamo di solito. In teoria, dovrebbe funzionare. Vediamo come’.”
Test di ASCENT nei propulsori a elettrospray
Per valutare il carburante, Bruno, Lozano e l’ex studente laureato del MIT Matthew Corrado hanno condotto una serie di esperimenti utilizzando propulsori a elettrospray alimentati da ASCENT.
Ciascun propulsore era collegato a un piccolo serbatoio cubico, all’incirca delle dimensioni di un mattoncino LEGO. I ricercatori hanno riempito ogni serbatoio con un grammo di ASCENT, un liquido con una viscosità simile all’olio per bambini.
I propulsori sono stati montati sui lati opposti di un CubeSat posizionato su una piattaforma di test a levitazione magnetica personalizzata, nota come MagLev. L’apparato è situato all’interno di un’ampia camera a vuoto in grado di ricreare condizioni simili a quelle presenti nello spazio.
Durante i test, i ricercatori hanno variato a distanza la tensione fornita ai propulsori. L’elettrospray risultante ha generato una forza sufficiente a far ruotare il CubeSat come una trottola.
Misurando la spinta generata e azionando i propulsori in modo continuativo per periodi fino a 100 ore, il team è stato in grado di valutare le prestazioni e l’efficienza del carburante.
I risultati hanno dimostrato che ASCENT ha alimentato con successo i propulsori a elettrospray. Il carburante ha fornito prestazioni paragonabili ai propellenti a liquido ionico convenzionali tipicamente utilizzati nei sistemi di propulsione elettrica.
“Rispetto ai nostri propellenti a elettrospray standard, ASCENT offre prestazioni simili in termini di spinta”, afferma Bruno. “Ora che sappiamo che i nostri propulsori funzionano con ASCENT, possiamo iniziare a pensare a tutti i modi in cui possiamo migliorarli ulteriormente.”
Una missione della NASA testerà un serbatoio di carburante condiviso nello spazio.
Ora che ASCENT ha dimostrato di essere in grado di supportare sia la propulsione chimica che quella elettrica, i ricercatori prevedono che in futuro le navicelle spaziali saranno dotate di un unico serbatoio di carburante per alimentare entrambi i sistemi.
Questo concetto sarà presto messo alla prova per la prima volta nel mondo reale con la missione Green Propulsion Dual Mode della NASA, il cui lancio è previsto per novembre.
“Questa sarà la prima volta che un satellite avrà un serbatoio di propellente condiviso”, afferma Lozano.
Oltre all’esplorazione dello spazio profondo, questa tecnologia potrebbe migliorare anche le missioni più vicine alla Terra. Lozano cita il monitoraggio meteorologico e climatico come una possibile applicazione.
“Supponiamo che stia arrivando una tempesta e che si voglia dispiegare la propria costellazione di piccoli satelliti per osservare una determinata area”, spiega. “Si potrebbe scegliere di inviarli rapidamente o lentamente a seconda della natura dell’osservazione. E l’unico modo per farlo è disporre di due sistemi di propulsione, cosa che ora è possibile.”
Questa ricerca è stata parzialmente finanziata dalla NASA.
Astratto
Questo lavoro caratterizza un propulsore elettrospray poroso alimentato passivamente che utilizza il propellente Advanced Spacecraft Energetic Non-Toxic (ASCENT, precedentemente AF-M315E), un monopropellente a liquido ionico energetico. Vengono riportati i risultati sulle caratteristiche corrente-tensione del propulsore, la divergenza angolare del fascio, gli spettri di energia del pennacchio, gli spettri di massa del pennacchio, le misurazioni dirette della spinta e i test di lunga durata. Le prestazioni propulsive vengono valutate tramite metodi indiretti e diretti su più unità. Si è scoperto che ASCENT fornisce un rapporto spinta-potenza di 40–65 μN/W, un impulso specifico di 600 s e un’efficienza totale del 15%. Le misurazioni dirette e indirette della portata massica mostrano una notevole discrepanza, suggerendo la presenza di ulteriori meccanismi di perdita di massa. Non sono state osservate modalità di guasto, decadimento di corrente significativo o degrado su più unità di propulsione fino a 167 htempo di accensione. Questi dati possono essere utilizzati per far progredire lo sviluppo di un sistema di propulsione chimica-elettrospray multimodale alimentato da ASCENT.
Materiale fornito dal Massachusetts Institute of Technology . Articolo originale di Jennifer Chu. Nota: il contenuto potrebbe essere modificato per motivi di stile e lunghezza.
Amelia R. Bruno, Matthew N. Corrado, Paulo C. Lozano. Caratterizzazione delle prestazioni di propulsori a elettrospray con monopropellente a liquido ionico energetico . Journal of Propulsion and Power , 2026; 1 DOI: 10.2514/1.B40175
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