Propulsione spaziale: NASA apre nuove frontiere

Un’innovativa tecnologia di propulsione sviluppata dalla NASA sta rivoluzionando le capacità dei piccoli veicoli spaziali, aprendo nuove frontiere per le future missioni planetarie e prolungando la vita operativa dei satelliti esistenti.

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La nuova tecnologia di propulsione

La NASA ha sviluppato una tecnologia di propulsione avanzata per facilitare le future missioni di esplorazione planetaria utilizzando piccoli veicoli spaziali. Questa tecnologia non solo consentirà nuovi tipi di missioni scientifiche planetarie, ma uno dei partner commerciali della NASA si sta già preparando a utilizzarla per un altro scopo: prolungare la vita dei veicoli già in orbita.

Grazie alla collaborazione con aziende private, la NASA sta accelerando il processo di commercializzazione di questa tecnologia innovativa, aprendo la strada a nuove opportunità per l’industria spaziale americana. Questa sinergia tra il settore pubblico e quello privato rappresenta un modello di successo per promuovere l’innovazione tecnologica e rafforzare la competitività degli Stati Uniti nel panorama spaziale globale.

Le missioni scientifiche planetarie che utilizzano piccoli veicoli spaziali dovranno eseguire manovre propulsive impegnative, come raggiungere velocità di fuga planetaria, cattura dell’orbita e altro, che richiedono una capacità di cambiamento di velocità (delta-v) ben superiore alle tipiche esigenze commerciali. Pertanto, la tecnologia abilitante n. 1 per queste missioni è un sistema di propulsione elettrica in grado di eseguire queste manovre ad alto delta-v.

Il sistema di propulsione deve funzionare utilizzando una bassa potenza (sotto il kilowatt) e avere un’elevata portata di propellente, per consentire l’impulso richiesto per eseguire queste manovre.

Dopo molti anni di ricerca e sviluppo, i ricercatori del Glenn Research Center (GRC) della NASA hanno creato un piccolo sistema di propulsione elettrica per veicoli spaziali per soddisfare queste esigenze: il propulsore a effetto Hall da meno di un kilowatt della NASA-H71M. Inoltre, il successo della commercializzazione di questo nuovo propulsore fornirà presto almeno una di queste soluzioni per consentire la prossima generazione di missioni scientifiche su piccoli veicoli spaziali che richiedono fino a ben 8 km/s di delta-v.

Questa impresa tecnica è stata realizzata attraverso la miniaturizzazione di molte tecnologie avanzate di propulsione elettrica solare ad alta potenza sviluppate negli ultimi dieci anni per applicazioni come l’elemento di potenza e propulsione di Gateway, la prima stazione spaziale dell’umanità attorno alla Luna.

A sinistra: propulsore a effetto Hall della NASA-H71M sul supporto di spinta 8 del Glenn Research Center Vacuum Facility. A destra: il Dr. Jonathan Mackey mette a punto il supporto di spinta prima di chiudere e svuotare l'impianto di prova. Credito: NASA
A sinistra: propulsore a effetto Hall della NASA-H71M sul supporto di spinta 8 del Glenn Research Center Vacuum Facility. A destra: il Dr. Jonathan Mackey mette a punto il supporto di spinta prima di chiudere e svuotare l’impianto di prova. Credito: NASA

Vantaggi della nuova tecnologia a propulsione elettrica per l’esplorazione planetaria

I piccoli veicoli spaziali che utilizzano la tecnologia di propulsione elettrica NASA-H71M saranno in grado di manovrare in modo indipendente dall’orbita terrestre bassa (LEO) alla Luna o anche da un’orbita di trasferimento geosincrona (GTO) a Marte.

Le opportunità di lancio commerciale per queste orbite sono ormai frequenti, e lo spazio di lancio in eccesso viene spesso venduto a prezzi vantaggiosi per il posizionamento di veicoli spaziali secondari. Questa nuova tecnologia permetterà di sfruttare tali orbite come punto di partenza per missioni scientifiche sulla Luna e su Marte, incrementando notevolmente la frequenza e riducendo i costi di tali missioni.

.Queste missioni scientifiche secondarie di veicoli spaziali, inoltre, hanno in genere solo un breve periodo di tempo per raccogliere dati durante un sorvolo ad alta velocità di un corpo distante. Questa maggiore capacità propulsiva consentirà la decelerazione e l’inserimento orbitale sui planetoidi per studi scientifici a lungo termine.

Modello tecnico Northrop Grumman NGHT-1X Propulsore a effetto Hall operante nel Glenn Research Center Vacuum Facility 8. Il design dell'NGHT-1X è basato sul propulsore a effetto Hall NASA-H71M. Credito: Northrop Grumman
Modello tecnico Northrop Grumman NGHT-1X Propulsore a effetto Hall operante nel Glenn Research Center Vacuum Facility 8. Il design dell’NGHT-1X è basato sul propulsore a effetto Hall NASA-H71M. Credito: Northrop Grumman

Tecnologia a propulsione: applicazioni commerciali

Le megacostellazioni di piccoli veicoli spaziali che si stanno formando nelle orbite basse della Terra hanno reso i propulsori a effetto Hall a bassa potenza il sistema di propulsione elettrica più abbondante utilizzato oggi nello spazio. Questi sistemi utilizzano il propellente in modo molto efficiente, il che consente l’inserimento in orbita, la deorbitazione e molti anni di evitamento e rifasamento delle collisioni.

La progettazione attenta ai costi di questi sistemi di propulsione elettrica commerciale, ha inevitabilmente limitato la loro durata a meno di poche migliaia di ore di funzionamento, e questi sistemi possono elaborare solo circa il 10% o meno della massa iniziale di un piccolo veicolo spaziale in propellente.

Al contrario, le missioni scientifiche planetarie che beneficiano della tecnologia del sistema di propulsione elettrica NASA-H71M potrebbero funzionare per 15.000 ore ed elaborare oltre il 30% della massa iniziale del piccolo veicolo spaziale in propellente.

Questa capacità rivoluzionaria va ben oltre le esigenze della maggior parte delle missioni LEO commerciali e ha un costo aggiuntivo che rende improbabile la commercializzazione di tali applicazioni. Pertanto, la NASA ha cercato e continua a cercare partnership con aziende che sviluppano concetti di missione commerciali innovativi su piccoli veicoli spaziali con requisiti di produttività di propellente insolitamente grandi.

Un partner che presto utilizzerà la tecnologia di propulsione elettrica concessa in licenza dalla NASA in un’applicazione commerciale per piccoli veicoli spaziali è SpaceLogistics, una consociata interamente controllata da Northrop Grumman.

Il veicolo di servizio satellitare Mission Extension Pod (MEP) è equipaggiato con una coppia di propulsori a effetto Hall Northrop Grumman NGHT-1X, il cui design è basato sul NASA-H71M. La grande capacità propulsiva del piccolo veicolo spaziale gli consentirà di raggiungere l’orbita geosincrona terrestre (GEO) dove sarà montato su un satellite molto più grande. Una volta installato, il MEP fungerà da “jet pack di propulsione” per prolungare la vita del veicolo spaziale che lo ospita per almeno sei anni.

Northrop Grumman sta attualmente conducendo un test di usura di lunga durata (LDWT) dell’NGHT-1X presso l’impianto di aspirazione 11 della GRC per dimostrarne la piena capacità operativa. L’LDWT è finanziato da Northrop Grumman attraverso un accordo Space Act completamente rimborsabile. Il lancio del primo veicolo spaziale MEP è previsto nel 2025, e allungherà la vita di tre satelliti per comunicazioni GEO.

La collaborazione con l’industria statunitense per trovare applicazioni per piccoli veicoli spaziali con requisiti propulsivi simili alle future missioni scientifiche planetarie della NASA non solo aiuterà l’industria statunitense a rimanere leader globale nei sistemi spaziali commerciali, ma creerà nuove opportunità commerciali per la NASA per acquisire queste importanti tecnologie man mano che le missioni planetarie le richiedono.

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