ESA - Inizia l'Era dell'energia ionica: la propulsione da 'pinhole' per satelliti del futuro

L'esplorazione spaziale è in continua evoluzione grazie a tecnologie all'avanguardia come il sistema di propulsione ATHENA (Adaptable THruster based on Electrospray powered by Nanotechnology). Questo innovativo sistema offre una prospettiva rivoluzionaria per le missioni spaziali future, grazie alla sua capacità di propulsione basata sulla tecnologia degli elettrospray.

ATHENA rappresenta un passo significativo verso l'utilizzo di propellenti verdi e non tossici, sfruttando liquidi ionici per generare un'accelerazione che può spingere i satelliti a velocità incredibili, fino a 20 km/s. Ma cosa rende così straordinario questo sistema di propulsione?

L'Innovazione dei "Pinhole" e l'energia ionica I 'pinhole', emettitori grandi quanto un granello di sabbia, sono il cuore di questo sistema. Ogni array su un wafer di silicio contiene più di 500 di questi micro-emettitori, capaci di spruzzare ioni ad alta velocità, sfruttando campi elettrostatici per massimizzare la spinta. La combinazione di tecnologie micro e nanometriche è l'essenza di questa nuova frontiera della propulsione spaziale.

Pinhole: Il termine "pinhole" si riferisce a emettitori microscopici utilizzati nel contesto della propulsione spaziale attraverso la tecnologia degli elettrospray. Un pinhole è essenzialmente un foro o un punto di emissione estremamente piccolo, simile a un piccolissimo ago o a un puntino sulla superficie di un materiale. Nel caso specifico di ATHENA, questi pinhole sono emettitori presenti su un wafer di silicio, ciascuno dei quali contiene oltre 500 di questi micro-emettitori.

Nel contesto della propulsione ionica, i pinhole giocano un ruolo cruciale nel processo di generazione di spinta. Attraverso un campo elettrostatico, vengono accelerati ioni provenienti da liquidi ionici, spruzzati attraverso questi microscopici punti di emissione ad alta velocità. Questo processo permette di creare una forza di propulsione che può essere sfruttata per spostare satelliti nello spazio.

La dimensione estremamente ridotta dei pinhole è un elemento chiave della tecnologia, consentendo una maggiore precisione e controllo sulla direzione e sull'intensità della spinta generata. Inoltre, la micro e la nanotecnologia utilizzate per realizzare questi pinhole rappresentano un passo avanti significativo nell'ambito della propulsione spaziale, aprendo nuove possibilità per missioni più efficienti ed economiche.

Energia Ionica: L'energia ionica si riferisce all'energia associata agli ioni, che sono particelle cariche elettricamente. Gli ioni possono essere positivi (cationi) o negativi (anioni), a seconda della perdita o dell'acquisizione di elettroni. Questa forma di energia è spesso sfruttata in varie applicazioni, compresa la propulsione spaziale, come nel caso del sistema ATHENA basato sull'elettrospray.

Nel contesto della propulsione ionica, l'energia ionica è generata accelerando gli ioni attraverso campi elettrostatici. Nel caso di ATHENA, un liquido ionico costituito da ioni positivi e negativi viene utilizzato come propellente. Questo liquido fluisce attraverso emettitori microscopici chiamati "pinhole", e sotto l'influenza di un campo elettrostatico, gli ioni vengono accelerati a velocità molto elevate (nell'ordine di 20 km/s).

L'energia ionica, quindi, è intrinsecamente legata al movimento degli ioni e alla loro capacità di generare una forza di propulsione quando accelerati. Questo approccio offre diversi vantaggi, tra cui un'efficienza superiore rispetto a metodi di propulsione convenzionali e la possibilità di utilizzare propellenti non convenzionali come liquidi ionici, che possono essere più sicuri e sostenibili rispetto ai propellenti tradizionali. La tecnologia ionica è sempre più al centro dell'innovazione nell'esplorazione spaziale, aprendo nuove frontiere per missioni più efficienti ed economiche.

Energia Ionica spiegato in modo semplice: Immagina una situazione in cui hai un palloncino gonfiato e vuoi farlo muovere senza usarlo come una palla da calcio tradizionale. Invece di spingerlo con la mano o darvi un calcio, hai con te una piccola pistola ad aria compressa carica di piccoli granelli carichi di elettricità.

Ogni granello rappresenta un "ione", una particella carica elettricamente. Se sparassi questi granelli verso il palloncino, l'elettricità li farebbe muovere velocemente e, a sua volta, trasmetterebbero la loro energia al palloncino. Il movimento degli ioni (granelli carichi) è ciò che genera l'energia necessaria per far spostare il palloncino.

Nel nostro esempio, l'azione di sparare gli ioni rappresenta il concetto di "elettrospray", dove la forza generata dagli ioni (carichi elettricamente) viene sfruttata per produrre un movimento o una spinta, in questo caso, al palloncino. L'energia ionica è quindi l'energia associata al movimento degli ioni che è stata sfruttata per ottenere un risultato utile, nel nostro caso, far muovere il palloncino.

Rivoluzione nell'Industria Aerospaziale Il team di sviluppo guidato da Daniel Pérez Grande, CEO & Co-fondatore di IENAI Space in Spagna, ha raggiunto oltre 400 ore di funzionamento continuo, aprendo la strada a un futuro in cui la propulsione non sarà più un ostacolo ma un trampolino di lancio verso nuove frontiere spaziali.

Cosa significa per il Futuro delle Missioni Spaziali Questa tecnologia non solo offre prestazioni incredibili ma è anche altamente personalizzabile, permettendo l'adattamento della spinta in base alle necessità. La sua adattabilità consente l'aggregazione di sei propulsori su un singolo CubeSat, con la possibilità di ulteriori raggruppamenti per satelliti fino a 50 kg.

GSTP: Il Pilastro della Tecnologia Spaziale Il programma GSTP dell'ESA è la spina dorsale di questa rivoluzione tecnologica. Con un investimento di €102.000 in contratti GSTP che porta a un lavoro aggiuntivo e un ritorno commerciale medio di €3.5 per ogni €1 investito, il programma ha dimostrato la sua efficacia nel portare avanti l'innovazione e garantire la competitività europea nel mercato globale.

Il futuro della propulsione spaziale è qui e si chiama ATHENA. Questo sistema di propulsione, alimentato da liquidi ionici, rappresenta un trampolino di lancio verso una nuova era di esplorazione spaziale più economica, sostenibile e all'avanguardia.

[img-gallery-32357]ATHENA_standalone_prototype_for_first_flight_to_orbit_pillars.jpg,Athena_Thruster_Architecture_pillars.png,Silicon_wafer_onto_which_emitters_are_microfabricated_for_mass_production_pillars.jpg,Thrusting_Unit_of_the_ATHENA_Breadboard_Model_being_tested_at_IENAI_s_vacuum_chamber_facilities_pillars.jpg[/img-gallery-32357]

Glossario Tecnico: Elettrospray: Un metodo di spruzzatura di liquidi che sfrutta un campo elettrostatico per accelerare ioni, generando una spinta o una nebulizzazione controllata. Pinhole: Microscopici punti di emissione su un materiale, utilizzati nei sistemi di propulsione ionica per accelerare ioni attraverso campi elettrostatici. Ion: Una particella carica elettricamente, positiva (Catione) o negativa (Anione), risultante dalla perdita o acquisizione di elettroni. Liquido Ionico: Un composto costituito da ioni positivi e negativi che si comporta come un liquido, spesso utilizzato come propellente in sistemi di propulsione ionica. Propulsione Ionica: Un tipo di propulsione spaziale che sfrutta la forza generata dall'accelerazione di ioni carichi elettricamente per muovere un veicolo nello spazio. Wafer di Silicio: Un sottile disco di silicio utilizzato come supporto per la fabbricazione di dispositivi microelettronici, come nel caso degli array di emettitori nella propulsione ionica. CubeSat: Un tipo di satellite miniaturizzato, spesso delimitato da un cubo di 10 cm di lato, utilizzato in missioni spaziali a basso costo. Spinta: La forza generata dal sistema di propulsione per spostare un veicolo nello spazio. Campo Elettrostatico: Un campo di forza che circonda una carica elettrica e interagisce con altre cariche nell'ambiente circostante. GSTP (General Support Technology Programme): Programma dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA) che collabora con gli stati partecipanti e l'industria per sviluppare tecnologie avanzate e convertirle in prodotti utilizzabili per le missioni spaziali. TRL (Technology Readiness Level): Scala che valuta il grado di maturità di una tecnologia, dalla fase concettuale (TRL 1) alla dimostrazione in ambiente spaziale (TRL 9). Micro-fabbricazione: Processo di produzione di dispositivi su scala microscopica, spesso utilizzato nella creazione di componenti per tecnologie avanzate. #ESA #ATHENA

Fonte: ATHENA thruster kicks off electrospray propulsion for NanoSatellites (ESA)