Vele solari magnetiche al plasma come sistema di propulsione per

Vele solari magnetiche al plasma come sistema di propulsione per veicoli spaziali
Renato Forcinetti
DIEE, Università di Cagliari, piazza d’Armi, 09123 Cagliari, Italia.
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Sommario:
Negli ultimi decenni, sono stati condotti una serie di studi sulla fattibilità di un sistema di propulsione per
veicoli spaziali radicalmente innovativo, in grado di captare energia dall'ambiente. L'idea è stata quella di
utilizzare una vela che fosse in grado di deviare il flusso dei fotoni (legati alla radiazione luminosa solare) o
il flusso del vento solare (plasma di idrogeno completamente ionizzato continuamente espulso dal sole a
velocità molto elevate) in modo che, in accordo con il principio di conservazione della quantità di moto, una
spinta venisse trasmessa al velivolo.
Le Vele Solari materiali, che ricavano la spinta propulsiva dalla riflessione dei fotoni, sono costituite
sostanzialmente da una sottile pellicola di alluminio su supporto polimerico e possono raccogliere una forza
netta tra 25-75 [mN] [2]. La spinta, per quanto piccola, persisterà finché la vela è illuminata. Tale sistema
non necessita di fonti di energia a bordo e presenta il pregio della semplice operabilità, tuttavia presenta
difficoltà di dispiegamento, peso e fragilità elevati [2].
La Vela Solare Magnetica nasce con lo scopo di superare i limiti legati all'utilizzo di quella fotonica.
L'idea è quella di usare come vela un campo magnetico generato a bordo che sia sufficientemente intenso da
deviare le cariche portate dal vento solare, in modo che, per la conservazione della quantità di moto, una
spinta agirà sulla navicella. Dana Andrews e Robert Zubrin [1] proposero per primi questo concetto di vela,
ottenuta dispiegando un lungo cavo superconduttore tale da formare un grande anello; tale circuito,
inizialmente alimentato dal veicolo spaziale, poteva poi essere tenuto sotto tensione senza fornire energia
dall’esterno grazie alle sue proprietà superconduttive (l’unica energia serve ad imporre la corrente iniziale e
ad alimentare i sistemi criogenici). L’anello superconduttore percorso da corrente generava il campo
magnetico che interagiva con le particelle cariche trasportate ad alta velocità dal vento solare, generando la
spinta sulla bobina. I principali inconvenienti legati a questo sistema sono volume (100-200 km di diametro)
e peso (nell'ordine di alcune tonnellate) eccessivi [1] [2].
Robert Winglee e il suo team di ricerca [2] [3] proposero di iniettare un flusso di plasma al centro di una
piccola bobina allo scopo di rinforzare il campo magnetico imposto. In particolari condizioni (elevato
numero di Reynolds magnetico) il getto di plasma è infatti in grado di spingere verso l'esterno il campo
magnetico, consentendone l’estensione lontano dal velivolo, a distanze notevolmente superiori rispetto ad un
semplice campo dipolare. Questo sistema prende il nome di Mini Magnetospheric Plasma Propulsion system
(M2P2) o Magneto Plasma Sail (MPS) e il suo funzionamento si basa sullo stesso principio della Vela Solare
Magnetica, ossia sull’impiego di un campo magnetico per trasferire quantità di moto dal vento solare alla
navicella. Il veicolo spaziale verrà spinto nella direzione del vento con un fabbisogno energetico molto
basso, raggiungendo in tre mesi accelerazioni di 0.01 [m/s2] [3]. Le prestazioni annunciate permetterebbero
di raggiungere l’esterno del sistema solare (~100 AU dal sole) in un decennio, raggiungendo velocità dai 50
agli 80 [km/s] [2]. L'applicazione di destinazione per il dispositivo proposto è perciò l'esplorazione dello
spazio profondo (fascia di Kuiper, Plutone, confini del sistema solare). I punti di forza del sistema M2P2
rispetto alle altre vele solari sono molteplici. Innanzitutto, utilizza processi elettromagnetici per produrre
ostacolo al vento solare, rimuovendo molti dei problemi tecnici legati alle altre idee di vela solare. In
secondo luogo è in grado di garantire un’ampia sezione trasversale di interazione col vento solare, con un
peso e una potenza ridotti. Infine, a differenza delle vele solari classiche che oppongono un'interfaccia
costante al flusso del vento solare, fornendo quindi una spinta variabile in funzione della pressione dinamica
del vento stesso, il sistema MPS agisce come un palloncino e si espande mentre la pressione dinamica si
riduce, garantendo una accelerazione costante alla navicella mentre si muove allontanandosi dal sole.
Bibliografia
[1] Zubrin R. M., Andrews D. G., Magnetic Sails and Interstellar Travel, Journal of The British
Interplanetary Society, Vol.43, (1990), pp.265-272.
[2] Winglee R., Slough J., Ziemba T., Goodson A., Mini-Magnetospheric Plasma Propulsion (M2P2): High
Speed Propulsion Sailing the Solar Wind, Space Technology and Applications International Forum,
American Institute of Physics, (2000).
[3] Winglee R., Slough J., Ziemba T., Goodson A., Mini-Magnetospheric Plasma Propulsion: Tapping the
energy of the solar wind for spacecraft propulsion. Journal of geophysical research, Vol.105, No.A9, (2000),
pp.21,067-21,077.