Dal Gigante SX3 al Piccolo SUPREME: Come Stiamo Rimpicciolendo i Motori Spaziali del Futuro!

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel mondo della propulsione spaziale, un campo dove l’innovazione corre veloce quasi quanto le sonde che spediamo verso pianeti lontani. Parliamo di come stiamo cercando di rendere i viaggi nello spazio più efficienti, più potenti e, perché no, anche più accessibili. E lo facciamo parlando di un progetto super interessante a cui sto lavorando (in senso lato, come parte della comunità scientifica che segue questi sviluppi!): il passaggio da un “bestione” da laboratorio a un motore più agile e pronto per il volo, il tutto grazie a tecnologie quasi da fantascienza come i superconduttori.

Perché Abbiamo Bisogno di Nuovi Motori Spaziali?

Partiamo dalle basi. Per muoverci nello spazio, non possiamo usare le ruote! Abbiamo bisogno di motori che ci “spingano”. Per decenni, ci siamo affidati principalmente alla propulsione chimica (i classici razzi con grandi fiammate), potentissima ma poco efficiente sul lungo periodo. È come avere un’auto sportiva che fa da 0 a 100 in 3 secondi ma consuma un litro al chilometro. Va bene per uscire dall’atmosfera, ma per viaggi lunghi serve qualcosa di diverso.

Qui entra in gioco la propulsione elettrica. Immaginatela come un’auto elettrica super efficiente: meno “sprint” iniziale, ma capace di viaggiare per distanze enormi con pochissimo “carburante” (propellente, nel nostro caso). Tecnologie come i propulsori a effetto Hall (HET) o a griglia ionica (GIT) sono già realtà consolidate, usate su satelliti e sonde. Il problema? Spesso funzionano al meglio con propellenti rari e costosi come lo xeno o il kripton. E ultimamente, abbiamo visto quanto possano essere problematiche le catene di approvvigionamento…

L’Alternativa Promettente: I Propulsori Magnetoplasmadinamici (MPD)

Ed ecco che spunta un’alternativa intrigante: i propulsori Magnetoplasmadinamici (MPD). Questi “ragazzi” hanno un grande vantaggio: funzionano alla grande con propellenti molto più comuni ed economici, come l’argon. Anzi, si sono dimostrati promettenti anche con idrogeno o ammoniaca!

Esistono due tipi principali di MPD: quelli a campo proprio (Self-Field) e quelli a campo applicato (Applied-Field, AF-MPD). I primi hanno bisogno di correnti elettriche enormi (migliaia di Ampere!) e potenze altissime (centinaia di kW o addirittura MW) per essere efficienti, rendendoli un po’ troppo “esigenti” per molte missioni.

Gli AF-MPD, invece, sono più “parsimoniosi”. Possono funzionare bene a potenze molto più basse (pochi kW) e con correnti decisamente inferiori. Il trucco sta nell’usare un campo magnetico esterno (applicato, appunto) per aiutare ad accelerare il plasma (il gas ionizzato che funge da “scarico”). Più forte è il campo magnetico, migliori sembrano essere le prestazioni. Ma qui sorge un altro problema: creare campi magnetici intensi con magneti permanenti o bobine di rame tradizionali significa aggiungere un sacco di peso e generare molto calore (perdite).

La Rivoluzione dei Superconduttori ad Alta Temperatura (HTS)

E se vi dicessi che abbiamo trovato un modo per avere campi magnetici potentissimi senza i difetti delle vecchie tecnologie? Benvenuti nel mondo dei superconduttori ad alta temperatura (HTS)! Questi materiali incredibili, diventati commercialmente disponibili negli ultimi decenni, possono trasportare enormi correnti elettriche senza quasi nessuna perdita e generare campi magnetici intensissimi (parliamo di Tesla!).

È qui che entra in gioco il progetto SUPREME (Superconductor-Based Readiness Enhanced Magnetoplasmadynamic Electric Propulsion). L’idea, sviluppata da Neutron Star Systems in collaborazione con l’Istituto di Sistemi Spaziali (IRS) dell’Università di Stoccarda, è usare proprio la tecnologia HTS per creare un propulsore AF-MPD efficiente, operante a una potenza nominale di 5 kW (perfetta per un sacco di applicazioni commerciali) e capace di generare un campo magnetico di ben 1.2 Tesla!

Il “Fratello Maggiore”: L’Esperienza con SX3

Ma come si progetta un motore del genere? Non si parte da zero. La base per SUPREME è un altro propulsore sviluppato all’IRS: l’SX3. Questo è un modello da laboratorio, un vero “mostro” capace di operare tra 2 e 100 kW, ma con bobine in rame raffreddate ad acqua che generano campi magnetici fino a “soli” 400 mT (0.4 Tesla). L’SX3 ci ha insegnato tantissimo. Abbiamo fatto un sacco di esperimenti, testandolo in una camera a vuoto gigante (il Tank 8 dell’IRS), variando correnti, campi magnetici, flussi di argon.

Abbiamo visto che l’SX3 può raggiungere prestazioni notevoli, con efficienze di spinta superiori al 60% in certe condizioni (ad esempio a 52 kW, 400 mT e con un flusso di argon di 30 mg/s). Questi risultati sono tra i più promettenti mai pubblicati per un AF-MPD e suggeriscono che si può ottenere alta efficienza anche a correnti relativamente basse. L’SX3, però, con le sue bobine di rame e il raffreddamento ad acqua, è troppo pesante e complesso per volare nello spazio.

La Sfida del Downscaling: Come Rimpicciolire Mantenendo le Prestazioni

Ecco la sfida principale: come passare dai 100 kW (e oltre) dell’SX3 ai 5 kW di SUPREME mantenendo quelle fantastiche prestazioni? Il problema è che non abbiamo ancora un codice di simulazione numerica perfetto che descriva tutti i complessi fenomeni del plasma dentro un AF-MPD. I modelli attuali, pur avanzati, a volte “vanno in crisi” proprio nelle condizioni operative di questi propulsori.

Quindi, abbiamo dovuto usare un approccio un po’ più “empirico” ma molto intelligente. L’idea è stata: “Ok, non possiamo simulare tutto alla perfezione, ma sappiamo quali sono i parametri chiave del plasma che determinano le prestazioni nell’SX3. Cerchiamo di mantenerli costanti anche nel motore più piccolo!”.

Abbiamo scelto un punto operativo dell’SX3 particolarmente performante (quello a 52 kW e 60% di efficienza) come riferimento. Poi, abbiamo definito delle “regole di similitudine”:

• Mantenere la geometria generale della camera di scarica simile (rapporto tra diametri, ecc.).
• Mantenere l’entalpia specifica totale del plasma (una misura dell’energia per unità di massa).
• Ricreare densità di corrente simili davanti agli elettrodi (catodo e anodo) per avere zone di caduta di potenziale paragonabili.
• Scalare la tensione di scarica in modo da avere una lunghezza simile delle linee di corrente (il percorso che fanno gli elettroni nel plasma).

Mettendo insieme queste condizioni e il requisito di potenza (da 50 kW a 5 kW), siamo riusciti a calcolare un fattore di scala geometrico (circa 0.252). Questo ci ha permesso di definire le dimensioni del catodo e dell’anodo di SUPREME. Per il catodo, SUPREME userà un design multi-canale (diverso dal singolo canale dell’SX3), ma l’idea è che l’area attiva totale sia scalata correttamente. Vedremo nei test come questo influenzerà il plasma!

Progettare la Bobina HTS: Il Cuore Magnetico di SUPREME

Ottenuta la geometria della camera di scarica, dovevamo progettare la bobina superconduttrice. L’obiettivo era ambizioso: 1.2 Tesla sull’asse centrale, ma con una topologia (la “forma”) del campo magnetico il più simile possibile a quella dell’SX3 a 400 mT. Perché la forma è importante? Perché il modo in cui le linee di campo magnetico interagiscono con il flusso di plasma determina come e dove viene generata la spinta (la famosa forza di Lorentz).

Abbiamo usato un software di modellazione elettromagnetica (CST) per simulare sia il campo dell’SX3 (come riferimento) sia diverse configurazioni per la bobina HTS di SUPREME. La bobina HTS è immaginata come una serie di “pancake” doppi, avvolti con nastro superconduttore (inizialmente si pensava al nastro THEVA Pro-Line, ora si userà un design leggermente diverso di Tokamak Energies, ma con dimensioni simili).

Il processo è stato iterativo: abbiamo modificato la geometria della bobina, il numero di avvolgimenti, la corrente, verificando ad ogni passo non solo il campo magnetico generato, ma anche che il superconduttore rimanesse nel suo range operativo sicuro (sotto la sua corrente critica a quella temperatura e campo magnetico specifici), mantenendo un margine di sicurezza del 20%.

Il risultato? Siamo riusciti a progettare una configurazione di bobina che genera i 1.2 T desiderati e, cosa fondamentale, la cui topologia del campo magnetico (la forma delle linee di campo) è incredibilmente simile a quella dell’SX3, specialmente vicino all’asse del propulsore. E la cosa bella è che il diametro ottimale della bobina SUPREME corrisponde proprio a quello ottenuto applicando il fattore di scala geometrico trovato prima! Questo ci dà molta fiducia nel nostro approccio di scaling semplificato.

Previsioni di Performance: Cosa Ci Aspettiamo da SUPREME?

Ok, abbiamo un design. Ma come funzionerà davvero SUPREME? Qui entra in gioco un altro strumento sviluppato all’IRS: un modello di scaling per propulsori AF-MPD. Questo modello, basato su equazioni analitiche per la spinta (che considerano la componente gasdinamica, quella di Hall e quella di campo proprio) e sull’entalpia totale, è stato validato confrontandolo con i dati sperimentali di molti propulsori diversi, incluso il nostro SX3.

Abbiamo “dato in pasto” al modello le caratteristiche di SUPREME (geometria, campo magnetico target) e le ipotesi fatte durante il downscaling (stesse perdite termiche percentuali dell’SX3, stessa “composizione” della spinta – ipotesi forti che andranno verificate sperimentalmente!).

I risultati sono promettenti:

• Il modello prevede che SUPREME raggiunga l’obiettivo di 5 kW di potenza con un campo magnetico di circa 500 mT (un po’ più alto dei 400 mT del punto di scaling dell’SX3).
• In queste condizioni, la spinta prevista è di circa 0.14 N (140 mN) con un impulso specifico (I_sp, una misura dell’efficienza del propellente) di 4661 secondi e un’efficienza di spinta intorno al 62%. Questi sono valori eccellenti per un propulsore da 5 kW!
• Se spingiamo il campo magnetico al massimo previsto di 1.2 T, il modello suggerisce che potremmo ottenere la stessa potenza di 5 kW con una corrente molto più bassa (circa 32 A invece di 76 A), mantenendo spinta e I_sp simili. Correnti più basse significano meno stress per il catodo e potenzialmente una vita operativa più lunga!
• Oppure, mantenendo la corrente a 76 A ma con 1.2 T, potremmo operare a potenze più alte (circa 12 kW) generando una spinta notevole di 330 mN, sempre con un I_sp elevato.

Ovviamente, queste sono previsioni basate su un modello e su alcune assunzioni (specialmente sulle perdite termiche, dato che SUPREME avrà elettrodi raffreddati per irraggiamento, non ad acqua come SX3). La vera prova del nove saranno i test sperimentali, che ci permetteranno anche di affinare il modello stesso.

Missioni Possibili: Dove Potrebbe Portarci SUPREME?

Un propulsore come SUPREME apre scenari interessanti per future missioni spaziali. Abbiamo fatto delle analisi preliminari per capire dove potrebbe essere più utile. Abbiamo considerato diversi scenari:

• Trasferimenti in orbita terrestre: Da GTO (orbita di trasferimento geostazionaria) a GEO (orbita geostazionaria) e da LEO (orbita bassa terrestre) a GEO. Sono missioni comuni per i satelliti.
• Missioni interplanetarie: Un trasferimento da LEO a LMO (orbita bassa marziana) e da LEO all’orbita del pianeta nano Cerere (nella fascia degli asteroidi).

Per queste analisi, abbiamo usato l’equazione del razzo (nella sua forma adatta alla propulsione a bassa spinta) e le prestazioni previste per SUPREME (a 5 kW), considerando anche la massa del sistema di alimentazione (pannelli solari, PPU, ecc.) e una massa strutturale.

Cosa abbiamo scoperto?

• Per i trasferimenti in orbita terrestre (GTO-GEO, LEO-GEO), SUPREME funziona bene. Curiosamente, l’I_sp ottimale per minimizzare i tempi di trasferimento o massimizzare il carico utile a parità di tempo non è altissimo, intorno ai 2500-3000 secondi. Andare a I_sp molto più alti (tipo 6000 s), dove gli AF-MPD eccellono, permette di ridurre un po’ la massa iniziale o aumentare leggermente il carico utile, ma al prezzo di tempi di trasferimento significativamente più lunghi. Diciamo che per queste missioni, SUPREME offre flessibilità ma non sfrutta appieno il suo potenziale di altissimo I_sp.
• Per le missioni interplanetarie (Marte, Cerere), che richiedono cambi di velocità (Δv) molto più grandi, la storia cambia. Qui, un alto I_sp è fondamentale. Le analisi mostrano che la massa del carico utile trasportabile aumenta costantemente con l’I_sp, mentre la massa iniziale necessaria diminuisce. I tempi di trasferimento, dopo un certo punto (intorno ai 4000 s), tendono a stabilizzarsi o addirittura diminuire leggermente all’aumentare dell’I_sp. Quindi, per andare lontano, l’alta efficienza di propellente di SUPREME a I_sp elevati (4000-6000 s) è un vantaggio enorme.
• Abbiamo anche visto l’effetto del clustering (usare più propulsori insieme). Ad esempio, usare due SUPREME da 5 kW (totale 10 kW) dimezza i tempi di trasferimento rispetto a usarne uno solo, con una piccola penalità sulla frazione di massa del carico utile (perché raddoppi la massa del sistema propulsivo). È un’opzione interessante per missioni che richiedono tempi più brevi.

Verso il Futuro

Insomma, il percorso da SX3 a SUPREME è un esempio fantastico di come stiamo cercando di far evolvere la propulsione spaziale. Abbiamo sviluppato una metodologia di downscaling intelligente per superare l’assenza di simulazioni perfette, stiamo sfruttando la tecnologia rivoluzionaria dei superconduttori HTS per ottenere prestazioni impensabili fino a poco tempo fa, e le previsioni indicano che SUPREME potrebbe essere un candidato eccellente per una vasta gamma di missioni, specialmente quelle che ci porteranno più lontano nel nostro Sistema Solare.

La prossima fase, ovviamente, è quella dei test sperimentali. Non vediamo l’ora di accendere SUPREME e vedere se le nostre previsioni erano corrette! Questi dati saranno cruciali non solo per validare il propulsore, ma anche per migliorare i nostri modelli e progettare la prossima generazione di motori spaziali. Il futuro della propulsione elettrica è luminoso, e SUPREME è sicuramente una delle stelle nascenti da tenere d’occhio!

Fonte: Springer