VASIMR verso lo step 5

[Peter Pan]

Un test del VASIMR (acronimo per razzo magnetico al plasma ad impulso specifico variabile) era previsto sulla ISS lo scorso anno, poi NASA sospese tutto.
Dopo mesi di apparente  silenzio, lo scorso marzo Ad-Astra-Rocket, proprietaria e costruttrice del VASIMR, ha vinto un bando NASA di finanziamento per nuove promettenti tecnologie: il 10 agosto scorso è stato emesso un comunicato stampa che annuncia quanto segue:

• NASA ed Ad-Astra hanno siglato un contratto, di un anno rinnovabile due volte con il progresso dello stato dei lavori, che prevede complessivamente un cofinanziamento (al 50%) di nove milioni di dollari per testare un nuovo prototipo e portare la tecnologia di un passo più vicina allo step 5 necessario per l'impiego in volo
• la precedente versione del prototipo era stata testata, con l'esclusivo impiego di fondi privati, da diecimila impulsi della durata inferiore al minuto, ma sufficienti ad evidenziare una spinta di 6N (quella esercitata da un peso di 600 grammi) ed una efficienza superiore al 70%, senza apparenti conseguenze sul motore
• il nuovo test che si terrà in una camera a vuoto della sede texana di Ad-Astra-Rocket prevede una accensione continuativa di 100 ore con una alimentazione di 100 kW, al fine di testare il nuovo design del motore, la stabilità termica e stimarne l'aspettativa di vita

Mentre la propulsione elettrica è già impiegata nella forma dei propulsiori ad ioni, il VASIMR promette prestazioni più alte a pari quantità di propellente espulso, in virtù delle alte temperature a cui il il flusso ionico viene riscaldato per mezzo di radio onde.
Sembra che dunque NASA riconosca ancora una volta una prospettiva al VASIMR e concede un aiuto economico ad un progetto sotenuto ad oggi solo dal capitale privato.
Il motore al plasma può ancora farci sognare. 

[Acris]

Con 100kW quanti N di spinta?

[Biduum]

100KW non sono pochi da fornire in volo....

[Peter Pan]

Con 100kW quanti N di spinta?

Non sono un esperto, ma mi pare di aver capito che il dato utile è la spinta in rapporto al consumo di propellente, pochissimo quest'ultimo. Questo permette di tenere acceso il propulsore per giorni, esercitando quella spinta in modo costante. Questo è tipico dei propulsori spaziali. I motori che alimentano i sistemi di lancio invece sono caratterizzati da una spinta altissima, capace di contrastare la forza di gravità, ma riescono a restare accesi solo per pochi minuti bruciando enormi quatità di propellente, che in questo caso fornisce anche l'energia per la propulsione.

Nei motori a propulsione elettrica, il propellente è accellerato da campi elettrici e/o magnetici, dunque il propellente ha la sola funzione di essere espulso a velocità altissime, imprimendo il moto al veicolo, lentamente ma in modo costante, senza alimentare reazioni chimiche esoterme e senza fornire energia. La spinta è dunque bassa. Ma il risvolto positivo è che rispetto ad un motore a reazione, per una pari variazione di velocità, la quantità di propellente consumata è molto inferiore, ideale nella propulsione spaziale.

Uno dei problemi sarà alimentare elettricamente un motore del genere. La prima applicazione concordata con NASA è stata la generazione della spinta per mantenere la ISS in orbita stabile e sarà alimentato da una batteria che verrà caricata con i pannelli solari della stazione. Anche in quel caso funzionerà in modo impulsivo, in quanto la stazione non dispone di una potenza sufficiente disponibile per alimentare continuativamente il motore. NASA ha stimato che l'utilizzo del VASIMR a questo scopo porterebbe un risparmio nei costi annuali di gestione della ISS di circa 20 milioni di dollari.
Il nuovo test però riguarda proprio la sua alimentazione in continua.

[Acris]

E quindi?
Quanti N di spinta con 100kW?

[manoweb]

Uno dei problemi sarà alimentare elettricamente un motore del genere. La prima applicazione concordata con NASA è stata la generazione della spinta per mantenere la ISS in orbita stabile e sarà alimentato da una batteria che verrà caricata con i pannelli solari della stazione. Anche in quel caso funzionerà in modo impulsivo, in quanto la stazione non dispone di una potenza sufficiente disponibile per alimentare continuativamente il motore.

Ed anche perche' poi altrimenti la ISS non sarebbe piu' un ambiente in microgravita' rendendola un oggetto inutile...

[albyz85]

Uno dei problemi sarà alimentare elettricamente un motore del genere. La prima applicazione concordata con NASA è stata la generazione della spinta per mantenere la ISS in orbita stabile e sarà alimentato da una batteria che verrà caricata con i pannelli solari della stazione. Anche in quel caso funzionerà in modo impulsivo, in quanto la stazione non dispone di una potenza sufficiente disponibile per alimentare continuativamente il motore.

Ed anche perche' poi altrimenti la ISS non sarebbe piu' un ambiente in microgravita' rendendola un oggetto inutile...

Perché?? Questo propulsore è praticamente esente da vibrazioni...
In ogni caso 100kW sono davvero davvero tanta potenza elettrica per una spinta che è comunque bassissima... A parte per la sperimentazione, un utilizzo pratico in missioni abitate è praticamente impossibile con queste prestazioni...

[DDD]

E quindi?
Quanti N di spinta con 100kW?

Wikipedia dice 5 N e che sarà fornito da un set di batterie che consentiranno un uso continuato di 15 min
Qui sono d'accordo con manu: la micro gravità é data da assenza di accelerazioni, non da assenza di vibrazioni, qualsiasi motore funzionando provoca accelerazione...
100kw Sono tanti, 1/4 della produzione dell'its, giusto?

[Peter Pan]

E quindi?
Quanti N di spinta con 100kW?

Lol. Acris, ho linkato il comunicato stampa. Se non ci credi vai a dare un'occhiata 

[albyz85]

Qui sono d'accordo con manu: la micro gravità é data da assenza di accelerazioni, non da assenza di vibrazioni, qualsiasi motore funzionando provoca accelerazione...

No, è esattamente il contrario, se idealmente il motore fosse sempre acceso per compensare il drag degli strati più alti dell'atmosfera la ISS sarebbe un ambiente microgravitazionale "più microgravitazionale" di quanto non lo sia ora, proprio perché anche quella minima decelerazione provocata dall'attrito sarebbe compensata...

La prima applicazione concordata con NASA è stata la generazione della spinta per mantenere la ISS in orbita stabile e sarà alimentato da una batteria che verrà caricata con i pannelli solari della stazione. Anche in quel caso funzionerà in modo impulsivo, in quanto la stazione non dispone di una potenza sufficiente disponibile per alimentare continuativamente il motore.

Ed anche perche' poi altrimenti la ISS non sarebbe piu' un ambiente in microgravita' rendendola un oggetto inutile...

[Acris]

E quindi?
Quanti N di spinta con 100kW?

Lol. Acris, ho linkato il comunicato stampa. Se non ci credi vai a dare un'occhiata 

Peter, la mia domanda era ripetuta perché non avevo ricevuto risposta, ora 5N con 100kW di consumo elettrico sono il nulla, 100kW sulla terra sono pochissimi, un normale motore d'auto da 140 cv li fornisce (solo per dare un idea di che grandezze stiamo parlando, e sulla terra riesce a spingere 1500kg ben oltre i 200 km/h, ma nello spazio la situazione è diversa.
Come dice Alberto annullare il drag atmosferico sarebbe perfetto, la ISS ha pennelli che producono poco più di 100 kW continui, quando sono al sole... Ma devono servire per caricare le batterie per quando sono all ombra e per mille altre cose.

[blitzed]

Scusate forse ho frainteso, ma 5N applicati per 15 minuti "una tantum" sarebbero sufficienti a mantenere l'orbita? Le attuali accensioni di reboost hanno,una durata comparabile se non più lunga e direi che vengono applicati ben più di 5N...

[IK1ODO]

Scusate forse ho frainteso, ma 5N applicati per 15 minuti "una tantum" sarebbero sufficienti a mantenere l'orbita? Le attuali accensioni di reboost hanno,una durata comparabile se non più lunga e direi che vengono applicati ben più di 5N...

Non so quale sia la resistenza aerodinamica della ISS. Ma, come ad Acris, anche a me mezzo chilo di spinta per 100 kW consumati sembra davvero poco, non ostante l'efficienza dichiarata del 70%. Chi calcola l'energia necessaria per produrre una spinta di 5N ? A me sfugge qualcosa, 5N è una spinta da razzetto di carnevale, che probabilmente non eroga 100 kW termici.

[Peter Pan]

Il propulsore a ioni è usato dai più recenti satelliti per la stabilizzazione dell'orbita e prossimamente anche per portare satelliti dall'orbita bassa alla geostazionaria. Si stima un risparmio di propellente del 50% a pari delta-v. Basta avere molta pazienza
Da Deep Space 1 a New Horizons, le ultime sonde interplanetarie utilizzano motori a ioni con spinta di quell'ordine di grandezza, e sono le più veloci mai lanciate. New Horizons in particolare pesava al momento del lancio meno di 500 kg ed è dotata di propulsori ionici NSTAR a griglia elettrostatica ognuno dei quali richiede una alimentazione di 2.2kW e fornisce una spinta ben di 92 mN !

Tornando al VASIMR, se l'affidabilità sarà confermata  in futuro sarà sicuramente oggetto di miniaturizzazione e probabilmente forse saranno disponibili versioni con requisiti  di alimentazione inferiori, ed anche la tecnologia dei generatori migliora. I nuovi pannelli a cui lavora NASA hanno una massa decisamente ridotta e non sono assolutamente confrontabili con quelli della ISS in termini di potenza/massa.

Per quanto riguarda le missione manned, si stima un fabbisogno di 300kW per le missioni sugli asteroidi e 800kW per quella su marte

[manoweb]

IK1ODO ho calcolato che con 5N per avere un DV sulla ISS di 1m/s occorre tenerlo acceso piu' di venti ore.

[Peter Pan]

Scusate forse ho frainteso, ma 5N applicati per 15 minuti "una tantum" sarebbero sufficienti a mantenere l'orbita? Le attuali accensioni di reboost hanno,una durata comparabile se non più lunga e direi che vengono applicati ben più di 5N...

No. Le batterie sono in grado di alimentarli per 15 min prima di dover essere ricaricate. E' logico supporre che servirà un gran numero di impulsi per effettuare l'operazione. Il fatto che la spinta dei motori a ioni sia bassa, implica che devono restare accesi molto più a lungo, ma a pari delta-v il consumo di propellente è inferiore. Inoltre una spinta così bassa garantisce minori sollecitazioni alla ISS, a tutto vantaggio della sua integrità strutturale sul lungo periodo.

[manoweb]

Peter Pan, OK ma la ISS e' un laboratorio a microgravita'. Tale motore imporrebbe una piccola accelerazione, i miei calcoli dicono 14micron/s^2 con una massa stimata della stazione a 370 tonnellate. Quanto e' il drag atmosferico? Magari per certi esperimenti e' accettabile, magari no, e se non lo e' questi esperimenti devono stare in stand-by per molte ore al giorno; sarebbe interessante capire come lo vorrebbero usare, assumendo funzionasse in modo stabile etc

[blitzed]

Peter Pan, OK ma la ISS e' un laboratorio a microgravita'. Tale motore imporrebbe una piccola accelerazione, i miei calcoli dicono 14micron/s^2 con una massa stimata della stazione a 370 tonnellate. Quanto e' il drag atmosferico?

beh ma in ogni caso lavorerebbe contro il drag che esiste comunque, quindi dal punto di vista del mantenimento della microgravità il motore acceso migliorerebbe la situazione riducendo le accelerazioni totali a cui la ISS è sottoposta. forse però intendi se numerose fluttuazioni di accelerazione risultanti da frequenti brevi accessioni potrebbero essere fastidiose o più problematiche rispetto a un moto uniformemente decelerato con rari reboost? questo non saprei dirlo..possibile che gli esperimenti siano in qualche modo tarati per tollerare/contemplare anche le perturbazioni dovute al drag atmosferico...

[Peter Pan]

Peter Pan, OK ma la ISS e' un laboratorio a microgravita'. Tale motore imporrebbe una piccola accelerazione, i miei calcoli dicono 14micron/s^2 con una massa stimata della stazione a 370 tonnellate. Quanto e' il drag atmosferico? Magari per certi esperimenti e' accettabile, magari no, e se non lo e' questi esperimenti devono stare in stand-by per molte ore al giorno; sarebbe interessante capire come lo vorrebbero usare, assumendo funzionasse in modo stabile etc

Su una tabella leggo che ad un satellite in orbita equatoriale a 400 km, con un rapporto massa/superficie (trasversale alla radiazione solare) di 200 kg/m², occorre in un anno un delta-v compreso tra i 3.4 e i 35 m/s, a seconda dell'attività solare. Il valore medio per la ISS lo ignoro. Buzz, se ci sei batti un colpo!

Poi per evitare i detriti non credo che un propulsore ionico sia sufficientemente potente. Probabilmente la ISS recupera quota in occasione del passaggio di qualche detrito importante, e data la potenza dei suoi propulsori a reazione, l'operazione è veramente molto breve.

[manoweb]

beh ma in ogni caso lavorerebbe contro il drag che esiste comunque, quindi dal punto di vista del mantenimento della microgravità il motore acceso migliorerebbe la situazione riducendo le accelerazioni totali a cui la ISS è sottoposta.

Ma cio' non e' vero se il drag atmosferico 1) non fosse uniforme durante l'orbita (io azzarderei che nella fase in ombra, l'atmosfera sia piu' densa quindi ci sia piu' drag, proprio quando non ci sono i pannelli solari a fornire energia - ma magari e' controintuitivo) 2) fosse sufficientemente "diverso" in termini di forza, ovvero se il drag fosse equivalente a 0.5N (numero che ho inventato), con una forza applicata di 5N da parte dei motori fornirebbe una perturbazione molto maggiore. ciao

[Buzz]

E quindi?
Quanti N di spinta con 100kW?

La risposta è facile. La spinta è pari a forza per velocità, P = T x c. Se l'impulso specifico è 2000 secondi (prendo un valore tipico per un propulsore elettrico), la velocità di uscita del propellente è 20mila m/s. T = P/c = 100 kW / 20k m/s = 5 N.

La fisica è quella, non si scappa. Se volete alzare la il rapporto spinta/potenza, l'unico modo è abbassare l'impulso specifico e quindi aumentare i consumi. Ma allora non usate la propulsione elettrica, continuate a usare quella chimica
Per la cronaca, SMART-1 è arrivato sulla Luna con una spinta di meno di 100 mN.

Detto questo: usarlo per mantenere l'orbita della ISS? Sarebbe un'idea carina, ma la potenza da dove la si prenderebbe?
Il problema è sempre lo stesso, ovvero la capacità di immagazzinare energia. L'immagazzinamento chimico dell'energia (i combustibili e le batterie) ha dei forti limiti in termini di energia/massa. E il flusso di energia solare è troppo basso per rendere i pannelli solari efficienti (tutta la potenza installata sulal ISS è di circa 100 kW, quello che serve per 5N di spinta). IMHO l'unica soluzione per usare la propulsione elettrica su grandi masse e grandi potenze è usare l'energia nucleare, che ha un rapporto energia/massa di ordini di grandezza superiore...

Il valore medio per la ISS lo ignoro. Buzz, se ci sei batti un colpo!

Non ho il dato sottomano, quindi non vorrei sparare cavolate.
A occhio fanno circa un reboost al mese da circa 0.5-1 m/s di deltaV. Quindi direi a spanne qualcosa intorno ai 10 m/s l'anno. Dato che però vi dò con molta riserva, perché vado a memoria e non è una cosa di cui mi occupo direttamente

[manoweb]

IMHO l'unica soluzione per usare la propulsione elettrica su grandi masse e grandi potenze è usare l'energia nucleare, che ha un rapporto energia/massa di ordini di grandezza superiore...

Certo ma a quel punto, perche' usare la propulsione elettrica se possiamo usare un reattore nucleare per scaldare il gas direttamente ed espellerlo a gran velocita'?

A occhio fanno circa un reboost al mese da circa 0.5-1 m/s di deltaV. Quindi direi a spanne qualcosa intorno ai 10 m/s l'anno. Dato che però vi dò con molta riserva, perché vado a memoria e non è una cosa di cui mi occupo direttamente

Beh se si tratta di reboost da 1m/s allora questi 5N tornano ad essere fattibili, se non rovinano gli esperimenti...

[albyz85]

IMHO l'unica soluzione per usare la propulsione elettrica su grandi masse e grandi potenze è usare l'energia nucleare, che ha un rapporto energia/massa di ordini di grandezza superiore...

Certo ma a quel punto, perche' usare la propulsione elettrica se possiamo usare un reattore nucleare per scaldare il gas direttamente ed espellerlo a gran velocita'?

Perché l'efficienza del nucleare termico non è di ordini di grandezza superiore alla propulsione chimica, questo è valido solo per la propulsione elettrica e quindi la produzione di energia elettrica attraverso generatori nucleari. Ne abbiamo già parlato mille volte, gli ISP del nucleare termico NON sono di ordini di grandezza superiore all propulsione tradizionale e qui siamo OT per ricominciarne a parlare direi...

[Buzz]

Beh se si tratta di reboost da 1m/s allora questi 5N tornano ad essere fattibili, se non rovinano gli esperimenti...

Come hai giustamente calcolato, considerando la massa della ISS ci vogliono circa 24 ore di spinta a 5 N per dare 1 m/s di deltaV, che è il valore di un classico reboost.
Il problema è sempre lo stesso: dove li prendi sulla ISS 100 kW per 24 ore? Spegni tutta la stazione per dare potenza a un thruster?

Forse qualcosa a spinta inferiore potrebbe essere accettabile: 20 kW con 1N di spinta potrebbe essere fattibile ma a quel punto dovrebbe essere per 5 giorni di fila. E questo avrebbe un bell'impatto sulle operazioni degli esperimenti, che hanno bisogno dell'energia elettrica che stiamo dando al propulsore.
Oppure si potrebbe anche andare ancora giù e avere spinta continua: per avere 1 m/s per 30 giorni occorrerebbe una spinta di circa 200 mN e quindi "solo" 4 kW di potenza elettrica. Significa che con circa 5 kW di potenza continuamente dedicata al propulsore, questo potrebbe eliminare il rallentamento dovuto all'attrito (e non è poco, 5 kW è il tipico consumo dell'intero laboratorio Columbus, nei giorni in cui si fa scienza su vari racks contemporaneamente!)

E poi bisogna considerare le manovre urgenti, tipo le debris avoidance maneuvers. Per quelle bisogna reagire velocemente, quindi ci vorrebbero comunque i propulsori tradizionali per dare spinte ingenti e aggiustare l'orbita in poche ore.

[manoweb]

Il problema è sempre lo stesso: dove li prendi sulla ISS 100 kW per 24 ore? Spegni tutta la stazione per dare potenza a un thruster?

Quello e' un problema organizzativo, dicevo solo che dal punto di vista degli ordini di grandezza potrebbe anche funzionare, certo non so se dal punto di vista economico conviene questa soluzione od una tradizionale