Propulsori MPD per applicazioni spaziali

I propulsori magneto-plasma-dinamici (MPD) sono un particolare tipo di propulsori elettrici, in cui si utilizza energia elettrica per accelerare il propellente, portato allo stato di plasma, fino a velocità non possibili nei normali propulsori chimici. La propulsione elettrica costituisce il futuro della propulsione spaziale, in quanto consente un utilizzo più efficiente del propellente. In particolare, i proulsori MPD costituiscono una possibile opzione per le situazioni in cui sia richiesta una elevata potenza, ad esempio per cambiamenti di orbita o missioni interplanetarie.

Tuttavia, per lungo tempo l'utilizzo dei propulsori MPD è stato frenato dal fatto che ad alta potenza questi propulsori mostrano una perdita di efficienza, genericamente evidenziata da oscillazioni nella tensione applicata fra gli elettrodi (il metodo di propulsione si basa sulla realizzazione di una scarica di plasma ad elevata corrente fra un anodo e un catodo, e sull'uso della forza di Lorentz per accelerare il plasma stesso) e da danneggiamenti dell'anodo.

In collaborazione con Centrospazio di Pisa abbiamo affrontato questo problema realizzando delle campagne di misura con sonde elettriche (sonde di Langmuir) e sensori magnetici, allo scopo di rilevare le flutttuazioni del plasma associate alla perdita di efficienza.

I risultati ottenuti ci hanno consentito di formulare una ben precisa spiegazione riguardo all'instaurarsi del regime critico. Si è infatti rilevato che a tale regime corrisponde l'apparire di un modo con m=1 (dove m indica il numero d'onda azimutale) ed n=1 (n indica il numero d'onda assiale, ove per analogia con le macchine toroidali per lo studio della fusione si consideri il sistema come chiuso su se stesso, ossia periodico) ad una frequenza intorno ai 100 kHz. Si è potuto evidenziare che questa perturbazione di tipo kink è presente solo quando risulti violato il ben noto criterio di Kruskal-Shafranov, ossia, in analogia con quanto avviene nelle macchine toroidali, quando la corrente di plasma sia abbastanza elevata perché il modo abbia una superficie risonante all'interno del plasma. Analogamente a quanto avviene nei plasmi fusionistici, il kink m=1/n=1 ha un effetto deleterio sulle prestazioni della scarica.

Avendo compreso la fisica alla base della perdita di efficienza, è stato successivamente possibile elaborare un metodo di soppressione del modo kink, che si è dimostrato estremamente effiicace. Il metodo prevede l'inserimento nell'ugello del motore di un setto di materiale dielettrico, che interrompe le correnti elicoidali associate al modo, e ne previene la formazione. Questa tecnica è stata anche oggetto di un brevetto internazionale.

Bibliografia essenziale

M. Zuin, R. Cavazzana, E. Martines, G. Serianni, V. Antoni, M. Bagatin, M. Andrenucci, F. Paganucci, P. Rossetti, Kink instability in applied-field magneto-plasma-dynamic thrusters, Physical Review Letters 92, 225003 (2004). [pdf]

M. Zuin, R. Cavazzana, E. Martines, G. Serianni, V. Antoni, M. Andrenucci, F. Paganucci, P. Rossetti, M. Signori, Kink instability suppression and improved efficiency in magneto-plasma-dynamic thrusters, Applied Physics Letters 89, 041504 (2006).

M. Andrenucci, F. Paganucci, P. Rossetti, M. Signori, V. Antoni, R. Cavazzana, E. Martines, G. Serianni, M. Zuin, Instability control system for magneto-plasma-dynamic thrusters, brevetto internazionale n. WO 2006/075343 A1, pubblicato il 20 luglio 2006.