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By potatore

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Motori a ioni

Un motore a ioni è un particolare tipo di motore a razzo basato su una propulsione di tipo elettrostatico.
Per capirne il funzionamento, però, sarà utile fare un passo indietro e chiarire come funziona, in generale, la propulsione a razzo.
Consideriamo, per prima cosa, un‘automobile che avanza lungo una strada asfaltata. L’auto riesce a muoversi perché si genera un attrito dovuto al contatto tra ruote e asfalto. Le ruote, infatti, applicano alla strada una forza che tende a spingere la strada “all’indietro” mentre, per reazione, la strada esercita una forza che spinge l’auto “in avanti”. Nel vuoto o negli strati più rarefatti dell’atmosfera, un meccanismo del genere è reso impossibile dall’assenza del mezzo di contrasto: un razzo, a differenza di un’auto, non sa dove appoggiarsi per darsi una spinta.
L’accelerazione di un razzo è dovuta invece all’espulsione ad alta velocità di una grande quantità di particelle (propellente) che danno luogo a un fascio ben collimato. A questo meccanismo si dà il nome di propulsione (“a razzo”).
Per rendersi conto di come la propulsione possa essere efficace, basti pensare al rinculo di un fucile che segue l’esplosione di un colpo: se il fucile fosse libero di scorrere su un binario, il rinculo prodotto dallo sparo lo metterebbe in moto a una velocità il cui valore dipende dalla velocità del proiettile e dal rapporto fra la massa del proiettile stesso e quella del fucile. Questo fenomeno è facilmente spiegato ricorrendo a un principio fisico molto generale detto “principio di conservazione della quantità di moto”.
Le caratteristiche della propulsione che abbiamo elencato prima (gran numero di particelle espulse; elevate velocità di espulsione; collimazione del fascio) sono dovute proprio alla necessità di ottimizzare l’efficienza della spinta che viene applicata al razzo.
In generale, dunque, l’obiettivo di un motore a razzo è di generare una grande quantità di energia da trasferire alle particelle del propellente e di incanalare il propellente attraverso un ugello in modo da dar luogo al fascio propulsivo. È questo fascio ad essere, da un certo punto di vista, il punto di appoggio sul quale il razzo si “dà una spinta”.
I motori a razzo si differenziano tra loro per i meccanismi attraverso i quali “preparano” il propellente all’espulsione: se l’energia necessaria è fornita al gas da reazioni di combustione, si parla di propulsione chimica. È il caso di tutti i lanciatori in uso, dagli Ariane5 alle Soyuz russe, allo Shuttle della NASA.
Si parla invece di propulsione elettrica (non necessariamente ionica) quando il meccanismo per accelerare le particelle di propellente è, appunto, di tipo “elettrico”, comprendendo con questo termine una vasta classe di fenomeni elettromagnetici. Il motore ionico è un caso particolare di questa seconda categoria.
Veniamo allora al caso più semplice di motore ionico. Nei suoi elementi di base si tratta di una camera di ionizzazione all’uscita della quale è posto un condensatore le cui facce, distanti circa 1 mm, sono costituite da griglie metalliche a maglie relativamente grandi. Tra le facce del condensatore si fa in modo da stabilire una forte differenza di potenziale.
Il motore, nei suoi tratti essenziali, è pronto. Adesso va alimentato.
La camera di ionizzazione è quindi riempita con un gas neutro, come per esempio lo Xenon, che viene bombardato da intense scariche elettriche. Le scariche sortiscono l’effetto di strappare un elettrone all’atomo, lasciandolo carico positivamente. Quando uno ione positivo così formato penetra nel condensatore all’uscita della camera di ionizzazione, subisce una fortissima accelerazione, che lo scaraventa all’esterno. Ma le avventure dello ione non sono finite. Prima di essere espulso definitivamente attraverso l’ugello, infatti, lo ione deve attraversare una nuvola di elettroni, che induce una ricombinazione tra carica positiva e carica negativa, ricostituendo l’atomo di Xenon neutro. A questo punto l’atomo di Xenon, che si sta muovendo ad altissima velocità, è pronto per essere espulso attraverso l’ugello.
Come si vede, a differenza di quanto si crede di solito, un motore ionico non espelle particelle con carica elettrica. Se così fosse, per il principio della conservazione della carica, il veicolo spaziale stesso acquisterebbe una carica elettrica, che ridistribuendosi nelle varie parti della struttura potrebbe danneggiare la navicella stessa.
Un motore ionico simile a quello descritto è stato utilizzato nel 1998 dalla NASA per la sua navicella Deep Space 1, mentre una variante a plasma, che si basa su un effetto fisico più complesso (effetto Hall), è stato adottato per la sonda Smart-1 dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA).
Smart-1, che è la prima missione europea dedicata allo studio della Luna, è dotata di pannelli ad alta efficienza che catturano l’energia solare e la trasformano in energia elettrica che, a sua volta, alimenta il motore a plasma o elettrico-solare, come preferiscono definirlo gli addetti ai lavori. Dopo 13 mesi di sperimentazione del motore a propulsione elettrica, Smart-1, il cui nome è un acronimo dell’espressione inglese Small Missions for Advanced Research & Technology, piccole missioni per ricerca e tecnologia avanzata, si è perfettamente inserita in orbita intorno al satellite della Terra e in gennaio inizierà la sua indagine scientifica. Nel corso del 2005, Smart-1 mapperà l’intera superficie lunare ad alta risoluzione con una telecamera a colori, cercando di capire la composizione chimica delle rocce, un dato fondamentale per comprendere l’origine della Luna.
Smart-1 darà un’occhiata anche ai crateri lunari, cercando quelle tracce di acqua allo stato ghiacciato, che qualche anno fa le sonde Clementine e Lunar Prospector della NASA parvero avvistare, ma che successive indagini da Terra sembrano aver escluso.
Stefano Sandrelli Osservatorio Astronomico di Brera, INAF