Propulsore a effetto Hall

Un propulsore a effetto Hall è un tipo di propulsore elettrico in cui il propellente viene accelerato da un campo elettrico. I propulsori a effetto Hall intrappolano gli elettroni in un campo magnetico e li usano per ionizzare il propellente, accelerandoli efficientemente per generare spinta e neutralizzandoli poi nello scarico. Tali propulsori vengono a volte definiti Propulsori Hall o Propulsori a Corrente Hall.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

Il propulsore Hall è stato studiato indipendentemente negli Stati Uniti e nell'Unione Sovietica negli anni cinquanta e sessanta. Tuttavia il concetto di propulsore Hall fu sviluppato in uno strumento efficiente di propulsione nell'ex-Unione Sovietica, mentre negli Stati Uniti gli scienziati si sono concentrati invece sullo sviluppo di propulsori ionici con griglie elettrostatiche.

Sono stati sviluppati dall'Unione Sovietica due tipi di propulsori Hall:

propulsori con zona di accelerazione larga, SPD (Russo: СПД, стационарный плазменный двигатель; in Lingua inglese: SPT, Stationary Plasma Thruster, propulsore stazionario al plasma)
propulsori con zona di accelerazione stretta, DAS (Russo: ДАС, двигатель с анодным слоем; Inglese: TAL, Thruster with Anode Layer, propulsore con strato anodico)

Il modello comune dell'SPD è stato in gran parte lavoro di A. I. Morozov.^[1] I motori SPD sono usati dal 1972 e venivano usati principalmente per la stabilizzazione dei satelliti nelle direzioni Nord-Sud ed Est-Ovest. Da allora sino alla fine degli anni novanta 118 motori SPD hanno completato la loro missione e altri 50 hanno continuato a operare. La spinta dei motori SPD di prima generazione, l'SPD-50 e l'SPD-60 era di 20 e 30 mN rispettivamente. Nel 1982 sono stati introdotti l'SPD-70 e l'SPD-100 con una spinta di 40 e 83 mN. Nella Russia post-Sovietica sono stati introdotti propulsori ad alta potenza (qualche kilowatt), l'SPD-140, l'SPD-160, l'SPD-180 e il T-160 e propulsori a bassa potenza (meno di 500 W), l'SPD-35.^[2]

I motori di tipo DAS russi e sovietici includono il D-38 e il D-55.^[2]

I propulsori di costruzione sovietica sono stati introdotti in occidente nel 1992 dopo che un team di specialisti nella propulsione elettrica, con il supporto della Ballistic Missile Defense Organization, ha visitato i laboratori sovietici e ha valutato sperimentalmente il modello SPD-100 (un propulsore SPD di 100 millimetri di diametro). Oltre 200 propulsori Hall hanno volato sui satelliti Sovietici/Russi negli ultimi 30 anni. Sono stati usati principalmente per il mantenimento dell'orbita stazionaria e piccole correzioni orbitali. Attualmente la ricerca, la progettazione e i modelli teorici sui propulsori Hall sono diretti da esperti presso il Glenn Research Center della NASA e dal Jet Propulsion Laboratory. Molta parte dello sviluppo è condotta da industrie come la Aerojet.

Questa tecnologia è stata usata nella missione lunare SMART-1 e viene usata su diversi satelliti geostazionari commerciali.^[3]

Ricerca attuale[modifica | modifica wikitesto]

La ricerca attuale sui propulsori a effetto Hall sta proseguendo ed è concentrata principalmente su:

portare la loro potenza tipica di 1 kW a potenze più elevate (da 50 a 100 kW) o più piccole (da 50 a 100 W)
Risolvere i problemi dell'integrazioni nelle navi spaziali riguardanti la grossa divergenza del pennacchio di scarico
Attivare l'uso a impulso specifico più alto e variabile
Propulsori omologati per l'uso su veicoli occidentali
Estenderne la durata operativa per l'uso nelle missioni scientifiche nello spazio profondo

Un propulsore Hall opera tipicamente al 50–60% dell'efficienza di spinta e fornisce impulso specifico da 1 200 a 1 800 secondi (da 12 a 18 kN·s/kg) e rapporti spinta-su-potenza di 50–70 mN/kW.

Funzionamento[modifica | modifica wikitesto]

Il principio di funzionamento essenziale del propulsore Hall è che esso utilizza un potenziale elettrostatico per accelerare gli ioni a velocità elevata. In tali propulsori la carica negativa attrattiva viene fornita da un plasma di elettroni posto nell'apertura finale anziché da una griglia. Viene usato un forte campo magnetico radiale per mantenere gli elettroni in posizione, in una zona dove avviene la combinazione tra campo magnetico, attrazione tra la forza anodica e la veloce corrente di circolazione degli elettroni attorno all'asse del propulsore e un lento moto assiale verso l'anodo.

Viene mostrato nell'immagine a destra uno schema del propulsore a effetto Hall. Da notare che questa è una sezione laterale di uno strumento simmetrico assialmente. Viene applicato un potenziale elettrico dell'ordine dei 300 volt tra l'anodo e il catodo.

La punta centrale forma un polo dell'elettromagnete ed è circondata da uno spazio anulare attorno al quale vi è l'altro polo dell'elettromagnete, con un campo magnetico radiale nel mezzo.

Il propellente, per esempio il gas di xeno, viene iniettato attraverso l'anodo, il quale ha molti piccoli fori per funzionare come distributore del gas. Lo xeno viene usato per il suo elevato peso molecolare e la sua bassa energia di ionizzazione. Nel momento in cui gli atomi neutri di xeno si diffondono nel canale del propulsore, essi vengono ionizzati da collisioni con gli elettroni ad alta energia circolanti (10–20 eV o da 100 000 a 250 000 °C). Una volta ionizzati, gli ioni di xeno hanno solitamente carica +1, anche se una piccola frazione (~10%) hanno carica +2.

Gli ioni di xeno vengono poi accelerati dal campo elettrico tra l'anodo e il catodo, raggiungendo rapidamente velocità dell'ordine di 15 000 m/s con un impulso specifico di 1 500 secondi (15 kN/kg). Una volta usciti, tuttavia, gli ioni attraggono un eguale numero di elettroni con loro, creando un pennacchio di scarico con carica netta nulla.

Il campo magnetico radiale è progettato per essere forte abbastanza da deflettere sostanzialmente gli elettroni (che hanno piccola massa), ma non gli ioni (con massa molto più elevata), i quali hanno un raggio di ciclotrone molto più largo e vengono difficilmente deviati. La maggior parte degli elettroni sono quindi forzati ad orbitare nella regione con elevato campo magnetico radiale vicino al piano di uscita del propulsore, intrappolati nel campo $E\times B$ (dove E è il campo elettrico assiale e B il campo magnetico radiale). Questa rotazione orbitale degli elettroni è una corrente Hall circolante ed è da essa che prende il suo nome questo tipo di propulsore. Le collisioni e le instabilità permettono ad alcuni degli elettroni di essere liberati dal campo magnetico e di dirigersi verso l'anodo.

Circa il 30% della corrente di scarica è una corrente di elettroni che non produce spinta, limitando l'efficienza energetica del propulsore; l'altro 70% della corrente è negli ioni. Siccome la maggior parte degli elettroni sono intrappolati nella corrente di Hall, essi hanno un lungo periodo di stazionamento all'interno del propulsore e sono in grado di ionizzare circa tutto (~90%) del propellente xeno. L'efficienza di ionizzazione del propulsore è quindi attorno al 90%, mentre l'efficienza di scarica è attorno al 70%, per un'efficienza combinata del propulsore circa del 63% (90% per 70% = 63%).

Il campo magnetico assicura quindi che la potenza scaricata vada predominantemente nell'accelerazione del propellente di xeno e non negli elettroni, ottenendo un propulsore ragionevolmente efficiente.

Paragonata a quella dei razzi chimici, la spinta è molto piccola, dell'ordine di 80 mN per un propulsore tipico. Per confronto, il peso di una moneta come il quarto di dollaro americano o una moneta 20 eurocent è circa di 60 mN.

Tuttavia, i propulsori a effetto Hall funzionano ai più alti impulsi specifici ottenuti con i propulsori ionici. Un particolare vantaggio di questi propulsori, nel confronto con gli altri propulsori ionici, è che la generazione e l'accelerazione degli ioni avvengono in un plasma quasi neutro, così da non avere limitazioni nella corrente di saturazione della carica di Child-Langmuir (spazio di carica) sulla densità della spinta, e quindi avere una spinta elevata rispetto agli altri propulsori elettrici.

Un altro vantaggio è che questi propulsori possono usare una varietà più ampia di propellenti forniti all'anodo, anche l'ossigeno, anche se serve un propellente facilmente ionizzabile al catodo.^[4] Un propellente che si sta iniziando a utilizzare è il bismuto liquido, a causa del suo basso costo, della sua massa elevata e della sua bassa pressione parziale.

Applicazioni[modifica | modifica wikitesto]

Il sistema di propulsione solare elettrica del veicolo spaziale SMART-1 dell'Agenzia Spaziale Europea usava un propulsore a effetto Hall (lo Snecma PPS-1350-G1). Durante il corso di 13 mesi e 289 impulsi dal motore, ha consumato circa 58,8 kg di xeno, producendo un delta-v di 2737 m/s (46,5 m/s per kg di xeno). Si pensa di sfruttare un propulsore simile nella prossima missione BepiColombo ed è attivo nella missione Psyche verso l'asteroide metallico 16 Psyche, decollato il 13 ottobre 2023 con un razzo Falcon Heavy della Space X.