L’analisi che segue si basa al 99% su documenti NASA e comunicati stampa dei singoli produttori. Non metterò molti link ma i documenti potranno essere trovati facilmente usando la sigla del componente o a richiesta li posto.
Lanciati nel 2000 i pannelli solari dell’ISS pesano oltre 500 kg per ogni kW di potenza. Con la tecnologia attuale il progresso è stato enorme, infatti, ora siamo a meno di 10 kg per ogni kW (non solo generato ma anche usato con i motori a ioni). E con i progressi in corso potremmo tra pochi anni potremmo essere a 5 kg/kW
PROPULSIONE ELETTRICO SOLARE (SEP, sigla del relativo programma NASA)
Premessa
I propulsori ionici, ad effetto Hall, sono usati da decenni nei satelliti di piccole-medie dimensioni. Perché consentono alte velocità con poco carburante, la sonda della NASA Dawn, con pannelli solari da 10 kW ha generato variazioni di delta-v per circa 10 km/s. Un anno fa l’EUTELSAT 172b, un satellite europeo totalmente elettrico di 3550 kg, ha cambiato orbita da GTO a GEO nel tempo record di 4 mesi e consumando un sesto rispetto ai propellenti chimici. Il satellite, dotato di pannelli solari da 13 kW, è spinto da 2 motori PPS 5000 collocati in 2 braci molto mobili, ognuno da 5 kW, dotato di una spinta di 135 mN, di un isp di 2300 s ed un’efficienza del 50%.
SEP IL PROGRAMMA DELLA NASA
Anche per la spinta di Obama per le missioni nello spazio profondo, la NASA avvia ad inizio del decennio un nuovo programma di ricerca per lo studio dei motori a ioni alimentati ad energia solare, il SEP.
SEZIONE MOTORI
La NASA dopo anni di studi assegna tra il 2015 ed il 2016 alla Aerojet Rocketdyne (AR) 3 contratti per lo sviluppo di 3 diverse classi di motori (semplificando per sonde, gateway e cargo). Allo sviluppo partecipano oltre alla AR i laboratori della NASA JPL e Glenn (dove tra l’altro avvengono i test) e l’università del Michigan.
1 motori per sonde (interplanetarie)
Questo è dei tre il progetto più avanzato avendo ad inizio anno concluso la fase della revisione finale (critical design review CDR) con il motore Next-A. Nel 2021 la versione commerciale (NEXT-C, C sta proprio per commerciale) spingerà la sonda DART con una potenza di 7 kW e ben 4100s. Ma le prime 2 unita pronte al volo saranno consegnate alla NASA già nei primi mesi del 2019.
2 motore per piccole stazioni spaziali (Gateway)
Il motore AEPS, più grosso del precedente, è di circa 6 mesi più indietro nello sviluppo, infatti, la fase di revisione finale del progetto (CDR) dovrebbe concludersi a fine anno. Per il 2019 la NASA si attende la consegna di 5 motori pronti per il volo. (idea personale che non compare nei requisiti minimi del PPE, la consegna di 5 motori è la recente indicazione di pannelli per 50-70 kW mi fa ipotizzare che nel PPE ci possano essere 5 AEPS. nel terzo messaggio allego i calcoli) Le caratteristiche del motore sono: 13,3 kW in entrata e 12,5 kW in uscita, spinta da 589 mN, Isp di 2800 s, efficienza 57%, peso 50 kg (in altre fonti 4 motori per 100 kg).
Alcuni dei requisiti minimi coincidono con le caratteristiche tecniche dell’AEPS, il minimo di motori potenzialmente attivi con stazione completa ed alimentata elettricamente (ma non abitata) è di due unità.
3 motore per i cargo e missioni per l’orbita marziana
Il terzo tipo di motore in corso di sviluppo dalla AR è chiamato NextSTEP (il motore di prova si chiama X3 NHT, che sarà commercializzato probabilmente come XS-100). L’X3 sta già funzionando con regolarità con una potenza di 80 kW e per brevi periodi a 100 kW. A fine anno, con un funzionamento continuo di 100 ore a 100 kW, è previsto il raggiungimento di una prontezza tecnologica al livello 5 (TRL=5).
Nei documenti sulla propulsione ionica che ho analizzato questo è l’unico riferimento che ho trovato al TRL, ho trovato molti piu riferimenti alla revisione del design.
L’X3 NHT (motore hall nidificato) è basato su un brevetto AR ed esteriormente è diverso dagli altri che ho visto per la presenza di più cerchi concentrici. Quando è usato a 100 kW,ha un Isp di 2580 e 5,03 N ed un efficienza del 66%. In base al progetto può teoricamente operare anche a 200 kW, potenza non ancora testata, e visto che pesa 250 kg avrà un efficienza pari a 1,25 Kg/kW. Nei documenti si cita una potenza finale del progetto NextSTEP di 250 kW.
Questa categoria di motori è pensata per il deep space transport (DST) sia per cargo merci che potenzialmente per il trasporto umano. Il risparmio di carburante previsto è pari al 90% rispetto all’uso di propellenti chimici. Questo sistema è modulare fin dall’inizio e può produrre motori che vanno da 2 a 200 kW. Il fine ultimo di tali studi è facilitare la missione su Marte dove secondo la NASA servono potenze tra i 200 ed i 400 kW.
ENERGIA SOLARE
Il programma spaziale SEP abbina la propulsione ionica con la produzione elettrica solare. In questo campo i progressi sono molto impressionanti.
Nell’anno 2000 è stato mandato all’ISS il primo pacchetto di pannelli solari che pesava 15900 kg, altri 3 ne sono seguiti per un peso totale arrivato a quasi 68t. La potenza dei pannelli è di 84 - 120 kW, con un’efficienza di 2 w/kg o 500 kg/kW
I documenti del bando del PPE parlano di un requisito minimo di 100 W/kg e di oltre 40 kW/m3. Sono ben 4 i produttori di pannelli flessibili hanno prodotti in grado di soddisfare questi requisiti, i 2 più citati dalla NASA sono:
- il megaflex della ATK è una sorta di ombrello gigante (di 9 metri genera 50 kW, di 15 metri genera circa 100 kW). La versione ridotta, ultraflex, da oltre 2 metri equipaggia sia le navette cignus (150 w/kg) che il lander che sta per arrivare su Marte.
- il ROSA della DSS è stato testato nello spazio un anno fa, trasportato da una navetta dragon è stato agganciato dal braccio robotico della ISS. Il dispiegamento avviene senza motori e si comporta come una “molla” a rilascio rallentato. La forma iniziale assomiglia vagamente ad un grosso tubo che si srotola fino a formare un rettangolo gigante (vi consiglio di vedervi il video). Il confronto rispetto ai pannelli solari ISS è impressionante, un sistema ROSA da 120 KW, non dispiegato occupa sei componenti “standard” da 20 kW, per un totale di circa 2,5 m3 ed un peso di 500 kg. Il ROSA ha un’efficienza pari a 250 W/kg e 50 kW/m3, il 20 kW dispiegato è pari 6m X 13,7m. Questo modello è stato scelto per la sonda DART, per i satelliti militari dal DoD e per quelli commerciali dalla SSL.
La Nasa ha ricevuto ad agosto gli elaborati progettuali sul PPE di 5 diversi associazioni di imprese (in Italia sarebbero degli ATI). Insieme ad altre aziende uno dei progetti (quello della Sierra Nevada è durato 120 giorni) è stato presentato dalla DSS e dalla SSL, ed un altro progetto dalla ATK (i 2 ombrelli sono subito riconoscibili).
