PROPULSORE IONICO, COME FUNZIONA E COME CONTROLLARLO CON I MICRO FIBROSCOPI

Lo spazio con la sua oscurità ignota ha fin dall’origine dei tempi affascinato l’uomo. La sua conquista è diventata realtà a partire dagli anni ’50 del secolo scorso, prima con Gagarin, poi con Amstrong ed infine con le innumerevoli missioni spaziali che si sono susseguite fino ad oggi. La scoperta dello spazio è stata possibile grazie a tecnologie all’avanguardia, come il propulsore ionico, capace di muovere sonde e navicelle in orbita con consumi ridotti.

Ma come funziona la propulsione ionica? Nelle prossime righe osserveremo da vicino i meccanismi che la regolano, così come ci soffermeremo sulle tipologie di propulsori e le loro evoluzioni nel tempo. Infine, scopriremo come i micro fibroscopi siano degli strumenti a dir poco essenziali per la manutenzione di questi motori spaziali.

Che cos’è un propulsore ionico?

Un propulsore ionico è un sistema di propulsione elettrica che genera una forza di spinta attraverso l’accelerazione e l’espulsione di ioni, ovvero atomi o molecole dotati di carica elettrica.

Il suo funzionamento si basa sul terzo principio della dinamica di Newton, secondo cui a ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria. Quando il motore espelle particelle ad alta velocità in una direzione, il veicolo spaziale riceve una spinta nella direzione opposta.

Si tratta dello stesso principio utilizzato dai razzi tradizionali, ma cambia il modo in cui viene accelerata la materia espulsa: nei sistemi chimici l’energia deriva dalla combustione, mentre nel propulsore ionico viene fornita dall’elettricità.

La differenza principale tra propulsore ionico e razzo tradizionale sta nell’impulso specifico. Che cos’è? Rappresenta il parametro di misura che ci dice quanta spinta un motore riesce ad ottenere nel tempo consumando una determinata quantità di propellente.

Nello specifico un motore chimico espelle una grande quantità di gas producendo una spinta molto intensa per un periodo relativamente breve. Al contrario, un propulsore ionico espelle una quantità di gran lunga inferiore di materiale, ma accelera le particelle a velocità più elevate: tutto ciò determina una spinta più debole e contemporaneamente in grado di durare più a lungo.

Come funziona un propulsore ionico?

Il funzionamento di un motore a ioni si articola in tre fasi principali: 

• la ionizzazione del propellente;
• l’accelerazione delle particelle;
• la neutralizzazione del fascio espulso.

Ionizzazione del gas

Il processo inizia introducendo un gas neutro, generalmente xeno, all’interno di una camera di ionizzazione.In condizioni normali, gli atomi possiedono un numero uguale di protoni, con carica positiva, ed elettroni, con carica negativa. Per questo motivo risultano elettricamente neutri. Per poterli accelerare mediante un campo elettrico è necessario trasformarli in ioni positivi, sottraendo loro uno o più elettroni. Questo processo prende appunto il nome di ionizzazione.

All’interno del motore, un elettrodo chiamato catodo emette elettroni che vengono indirizzati verso il gas. Quando un elettrone sufficientemente energetico colpisce un atomo di xeno, può provocare l’espulsione di uno degli elettroni dell’atomo stesso. Lo xeno perde così il proprio equilibrio elettrico e diventa uno ione positivo, pronto per essere accelerato.

Accelerazione degli ioni

Gli ioni prodotti nella camera di ionizzazione vengono indirizzati verso un sistema di griglie metalliche caratterizzate da differenti potenziali elettrici. Questi generano un campo elettrostatico che accelera le particelle verso l’uscita del motore.

Attraversando le aperture delle griglie, gli ioni acquistano velocità e vengono espulsi nello spazio, formando un fascio che produce una forza nella direzione opposta al movimento delle particelle. Come abbiamo già accennato, la spinta generata è molto inferiore a quella di un razzo chimico, ma può essere mantenuta per periodi prolungati.

A livello pratico, possiamo immaginare un oggetto sottoposto a una piccola forza costante: la sua velocità aumenterà lentamente finché la forza verrà applicata. Proprio grazie a questo processo un propulsore ionico consente ad una sonda spaziale di accumulare gradualmente variazioni di velocità, senza consumare rapidamente la riserva di propellente.

Neutralizzazione del fascio ionico

Gli ioni espulsi dal motore possiedono una carica elettrica positiva. Senza un sistema di compensazione, il veicolo spaziale accumulerebbe progressivamente una carica negativa. Questo squilibrio potrebbe ostacolare l’espulsione delle particelle, attirandole nuovamente verso il propulsore e compromettendo la spinta.

Per evitare che tutto ciò accada entra in gioco il neutralizzatore, il quale è caratterizzato da un catodo collocato all’esterno del motore. Questo emette elettroni nel fascio ionico, compensando la carica positiva delle particelle espulse.

In sostanza, la neutralizzazione ha il compito di mantenere l’equilibrio elettrico del sistema e di garantire il corretto funzionamento del propulsore ionico.

Come viene alimentato un motore ionico?

Il propulsore ionico funziona grazie all’energia elettrica, che viene utilizzata per ionizzare il gas e accelerare le particelle cariche. Una delle principali fonti di alimentazione è rappresentata dai pannelli fotovoltaici. 

L’alternativa è rappresentata dal reattore nucleare: non genera direttamente la spinta, ma alimenta il motore ionico, che continua a funzionare accelerando ed espellendo particelle cariche. Questa soluzione può essere utile nelle missioni molto lontane dal Sole, dove i pannelli fotovoltaici ricevono meno energia solare.

È importante distinguere l’alimentazione dal propellente: la prima fornisce l’energia necessaria al funzionamento del dispositivo, mentre il secondo costituisce la materia che viene accelerata ed espulsa per generare movimento. Di conseguenza, un motore ionico non funziona soltanto grazie all’elettricità, ma deve comunque disporre di una riserva di propellente.

Quali propellenti vengono utilizzati?

Il propellente maggiormente utilizzato nei motori ionici è lo xeno, un gas nobile particolarmente adatto a questa tecnologia. La sua massa atomica elevata, la relativa facilità di ionizzazione e la bassa reattività chimica lo rendono efficace per produrre fasci di particelle accelerate.

Tuttavia, presenta alcuni svantaggi, soprattutto legati alla sua rarità e al costo relativamente elevato. Nel corso della storia è stato utilizzato come alternativa il mercurio, soprattutto nei primi modelli di propulsori ionici. Oggi non viene più usato a causa della sua tossicità e dei rischi di contaminazione.

Nei moderni propulsori ionici a effetto Hall si applica invece il bismuto. Altri sistemi utilizzano metalli come cesio e indio, particolarmente adatti per generare spinte estremamente piccole e precise.

Quali sono le principali tipologie di propulsore ionico?

Non tutti i propulsori ionici utilizzano lo stesso sistema per generare e accelerare le particelle. Osserviamo allore le configurazioni più diffuse.

Propulsori ionici a griglia elettrostatica

Il funzionamento dei propulsori ionici a griglia elettrostatica è esattamente quello visto nella sezione “Come funziona il propulsore ionico?”. Quindi, il gas viene inizialmente ionizzato attraverso il bombardamento elettronico. Le particelle positive attraversano una serie di griglie a differenti potenziali elettrici, acquisendo velocità prima di essere espulse. Infine, l’azione del neutralizzatore mantiene in equilibrio il sistema elettrico.

Propulsori a effetto Hall

I propulsori a effetto Hall, conosciuti anche come Hall-effect thrusters, utilizzano campi elettrici e magnetici per produrre la spinta. Il propellente viene introdotto in un canale nel quale è presente un campo magnetico che influenza il movimento degli elettroni, trattenendoli nella regione di ionizzazione.

Le collisioni tra elettroni e atomi del gas producono ioni positivi, successivamente accelerati verso l’esterno da un campo elettrico. A differenza dei propulsori a griglia, questi motori non richiedono griglie metalliche per accelerare le particelle.

La configurazione offre una maggiore densità di spinta rispetto ai sistemi ionici convenzionali. Non a caso, i motori Hall vengono impiegati soprattutto nei satelliti e nelle missioni spaziali di lunga durata.

Propulsori a emissione di campo (FEEP)

La tecnologia FEEP, acronimo di Field Emission Electric Propulsion, utilizza un principio differente rispetto ai sistemi alimentati con gas. Il propellente è costituito da un metallo liquido, generalmente cesio o indio, che viene convogliato verso un emettitore dotato di un’apertura molto piccola.

L’applicazione di un intenso campo elettrico provoca la formazione e l’emissione di ioni positivi, successivamente accelerati nello spazio. Questi dispositivi producono una spinta estremamente ridotta, ma regolabile con grande precisione. Tali propulsori ionici risultano molto efficaci nelle operazioni di posizionamento e orientamento dei veicoli spaziali.

Dove viene applicata la propulsione ionica?

I principali ambiti di applicazione dei sistemi di propulsione ionica riguardano i satelliti artificiali e le sonde destinate all’esplorazione spaziale.

Durante la propria vita operativa, un satellite può avere bisogno di correggere la traiettoria, modificare l’orbita o compensare perturbazioni che ne influenzano il movimento. I propulsori ionici permettono di effettuare queste operazioni utilizzando quantità contenute di propellente.

Allo stesso modo, nelle missioni interplanetarie non è possibile trasportare enormi quantità di propellente. Attraverso la propulsione ionica e i suoi consumi ridotti è possibile ovviare al problema.

I micro fibroscopi per la manutenzione dei propulsori ionici

Il bombardamento delle particelle per innescare la spinta dei propulsori ionici con il tempo causa il progressivo deterioramento dei componenti del motore. L’ispezione delle superfici diventa quindi importante per valutare l’usura e individuare anomalie che potrebbero compromettere l’efficienza e la durata del motore.

A tal fine i micro fibroscopi offrono un supporto determinante alle attività di controllo visivo. Le sonde, infatti, possono esaminare cavità e superfici difficilmente accessibili senza nessuna operazione di smontaggio.

Nello specifico sono utili per rilevare:

• fenomeni di erosione. Nei propulsori ionici è molto frequente il cosiddetto sputtering, ovvero l’erosione superficiale provocata dall’impatto di particelle energetiche contro un materiale;
• deformazione delle aperture delle griglie. L’erosione può modificarne progressivamente la geometria dei loro fori, provocando l’allargamento delle aperture e il deterioramento dei bordi;
• depositi di materiali. Durante la propulsione ionica è possibile il distaccamento di alcuni materiali delle superfici del motore, i quali si potrebbero depositare su altri componenti generando delle ostruzioni.

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