Propulsori a Pixel: La Rivoluzione Silenziosa che Spingerà i Nanosatelliti nel Futuro!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi appassiona da morire e che potrebbe davvero cambiare le carte in tavola nel mondo dell’esplorazione spaziale, soprattutto per i nostri piccoli amici, i nanosatelliti. Sto parlando dei propulsori electrospray, una forma di propulsione elettrica super promettente.

Perché sono così speciali? Beh, immaginate dei motori spaziali incredibilmente compatti, leggeri e super efficienti in termini di consumo di “carburante” (propellente, in gergo tecnico). Perfetti, no? Soprattutto quando lo spazio e il peso a bordo sono limitatissimi, come sui piccoli satelliti che stanno diventando sempre più protagonisti delle missioni spaziali.

Ma come funzionano? In pratica, questi gioiellini sparano particelle cariche (ioni) da un liquido speciale, un liquido ionico conduttore, che scorre attraverso una serie di minuscoli capillari o strutture porose affilate. Tutto questo avviene applicando una differenza di potenziale bella tosta tra il liquido e un elettrodo estrattore posto a valle. L’obiettivo top è farli funzionare nel cosiddetto regime ionico puro (PIR): significa che emettono solo ioni puri, massimizzando l’efficienza e l’impulso specifico (una misura di quanto “spingono” per unità di propellente). Recentemente, si usano strutture porose affilate che aiutano a trasportare il liquido e amplificano il campo elettrico, quasi “strappando” via gli ioni. Figo, vero?

Il Tallone d’Achille dei Vecchi Propulsori

Ok, tutto bello, ma c’è un “ma”. Anzi, ce ne sono un paio. Primo: fabbricare queste micro-strutture porose in modo che siano tutte perfettamente uguali, soprattutto sulla punta da cui escono gli ioni, è un’impresa titanica. E se non sono uniformi, addio stabilità del regime PIR e prestazioni al top.

Secondo problema, forse ancora più critico: l’affidabilità. Nei design attuali, c’è spesso un unico elettrodo estrattore per centinaia, a volte migliaia, di micro-emettitori. Cosa succede se anche solo uno di questi va in corto circuito? Esatto, l’intero sistema va KO. Tutta l’array di emettitori smette di funzionare. Un disastro, soprattutto per missioni lunghe o critiche. Immaginate se sul vostro schermo LED, un pixel bruciato spegnesse tutto lo schermo! Impensabile.

La Nostra Idea: I Propulsori a “Pixel”

Ed è qui che entriamo in gioco noi, con un’idea che cerca di risolvere entrambi i problemi. Abbiamo pensato: e se trattassimo ogni emettitore come un pixel indipendente? Da qui nasce il nostro design:

• Configurazione a Pannello Piatto: Un array dove ogni elemento emettitore ha una geometria e una disposizione studiate per garantire una fabbricazione più consistente e favorire il funzionamento in PIR. Niente più punte affilate difficili da replicare, ma capillari ben definiti.
• Estrattori Individuali con Fusibili: Ogni micro-emettitore ha il suo piccolo elettrodo estrattore. E la genialata? Questi estrattori sono collegati tra loro da una serie di fusibili. Se un emettitore va in corto, la corrente anomala fa saltare il suo fusibile, isolando il problema e proteggendo il resto dell’array. Proprio come un pixel bruciato su uno schermo: fastidioso, forse, ma lo schermo continua a funzionare!

Questo approccio promette non solo maggiore affidabilità, ma anche un controllo più preciso dell’emissione, grazie ai capillari che “guidano” meglio il menisco liquido da cui partono gli ioni.

Dalla Teoria alla Pratica: Fabbricare l’Impossibile (o Quasi)

Ovviamente, tra il dire e il fare c’è di mezzo… la microfabbricazione! Abbiamo deciso di usare un materiale chiamato SU-8, una fotoresist negativa molto usata in microelettronica, depositato su un substrato di vetro poroso. Il vetro poroso fa da “spugna”, portando passivamente il propellente liquido ai capillari fatti di SU-8.

La sfida? Depositare l’SU-8 sul vetro poroso senza che questo penetri nei pori e li ostruisca. Sarebbe come cercare di dipingere su una spugna asciutta! La nostra soluzione è stata un piccolo “trucco”: abbiamo prima riempito i pori del vetro con una sostanza volatile chiamata fluorene. Questo crea una sorta di barriera temporanea. Dopo aver depositato e modellato l’SU-8 con tecniche di fotolitografia (usando un laser per “scolpire” le forme desiderate), abbiamo rimosso il fluorene per sublimazione (facendolo evaporare sotto vuoto e calore). Et voilà! Strutture di SU-8 ben definite sulla superficie, senza intasare i pori sottostanti.

Non è stato facile trovare i parametri giusti (dose di esposizione laser, tempi di sviluppo, gestione del fluorene), perché con troppa esposizione l’SU-8 tende a “sbavare” oltre le aree definite, soprattutto quando si creano strutture vicine tra loro. Abbiamo dovuto fare un sacco di prove, giocando con la larghezza e la spaziatura degli anelli di SU-8 che formano i nostri capillari, fino a trovare la ricetta perfetta. Per alcuni test preliminari, abbiamo anche usato un approccio ibrido: un anello di SU-8 per il capillare e poi un rivestimento idrofobico di PTFE (Teflon) spruzzato intorno per evitare che il propellente si spargesse dove non deve.

Accendiamo i Motori: I Primi Test

Una volta fabbricati i nostri primi prototipi con un singolo emettitore capillare (diametri tra 4 e 10 micrometri, più piccoli di un capello!), era ora di vedere se funzionavano. Li abbiamo montati in una camera a vuoto (a pressioni bassissime, simili a quelle dello spazio) e abbiamo usato un setup di test preliminare.

Importante: per questi primi test, non abbiamo ancora usato il sistema di estrattori integrati con i fusibili (quello è il prossimo passo!). Abbiamo invece utilizzato un elettrodo estrattore “semplificato”: una piccola sfera metallica messa a terra, posizionata con precisione sopra l’emettitore grazie a dei motorini controllati. Questo ci permetteva di applicare l’alta tensione necessaria tra il propellente nel capillare e l’estrattore per innescare l’emissione.

Prima di accendere, abbiamo fatto delle simulazioni al computer (usando COMSOL) per prevedere a quale voltaggio ci saremmo aspettati l’inizio dell’emissione. Le simulazioni ci hanno dato un’idea, suggerendo che con l’estrattore a circa 50 micrometri sopra l’emettitore, avremmo dovuto applicare tra i 1000 e i 2500 Volt, a seconda della forma del menisco liquido (se piatto, concavo o convesso).

I Risultati: Funziona, ma C’è Lavoro da Fare!

E i risultati sperimentali? Emozionanti!

• Conferma della Fabbricazione: Siamo riusciti a fabbricare i capillari in SU-8 sul vetro poroso e, cosa fondamentale, abbiamo visto che il propellente liquido (abbiamo usato l’EMI-BF4, un classico) veniva effettivamente “risucchiato” passivamente fino all’imboccatura del capillare. Il trucco del fluorene aveva funzionato!
• Emissione Raggiunta: Applicando tensione, abbiamo ottenuto l’emissione di corrente! E a voltaggi anche più bassi di quelli previsti dalle simulazioni (circa 600V con l’estrattore a 50 µm). Questa differenza potrebbe dipendere da piccole imprecisioni nel posizionamento dell’estrattore o dalla forma reale del menisco, ma la buona notizia è che serve meno “spinta” elettrica del previsto.
• Test di Durata: Siamo riusciti a far funzionare gli emettitori per decine di minuti, a volte fino a un’ora, ottenendo una corrente relativamente stabile, con un comportamento (picchi quando si inverte la polarità della tensione) simile a quello visto in altri tipi di propulsori electrospray.

Tuttavia, abbiamo anche osservato un problema: usando questo setup con l’estrattore a sfera esterno, l’emettitore tendeva a degradarsi abbastanza rapidamente. Dopo il test, l’area intorno al capillare appariva annerita e danneggiata. La nostra ipotesi è che gli ioni sparati contro la sfera metallica causino l’emissione secondaria di altre particelle dalla sfera stessa, che a loro volta bombardano e rovinano la delicata struttura in SU-8 dell’emettitore. Questo però è un artefatto del nostro setup di test preliminare. Il design finale, con gli estrattori integrati e allineati, dovrebbe mitigare o eliminare questo problema.

Verso il Futuro: La Strada è Tracciata

Quindi, cosa ci dicono questi primi risultati? Che l’idea di base funziona! I nostri emettitori capillari fabbricati con questa nuova tecnica sono in grado di trasportare propellente e generare emissione ionica. È un passo avanti enorme.

Certo, la strada è ancora lunga. Il prossimo, cruciale passo sarà costruire e testare il sistema completo, con l’array di estrattori integrati e, soprattutto, i famosi fusibili. Dobbiamo dimostrare che il nostro sistema a “pixel” sia davvero capace di isolare i guasti e garantire quell’affidabilità che oggi manca.

Ma siamo ottimisti. Crediamo che questo approccio possa davvero superare i limiti attuali dei propulsori electrospray, aprendo la porta a missioni più ambiziose e durature per i piccoli satelliti, rendendoli ancora più capaci e versatili. Immaginate sciami di nanosatelliti che esplorano il sistema solare o monitorano la Terra con una precisione mai vista prima, spinti da questi piccoli, efficienti e super-affidabili motori a pixel. Non è fantascienza, è il futuro a cui stiamo lavorando!

Fonte: Springer