Sistemi di propulsione spaziale: le vele

Febbraio 23, 20213962 views0

È utile immaginare il funzionamento di una vela nello spazio in modo assai simile a come avviene la propulsione di una classica imbarcazione a vela. Il vento, che funge da propellente alla barca, viene imbrigliato dalla vela, con la quale scambia una certa quantità di energia. Tale scambio di energia porta la barca ad accelerare nella direzione e nel verso dell’applicazione della forza, dunque a muoversi seguendo il flusso d’aria. Una vela spaziale utilizza le onde elettromagnetiche oppure flussi di particelle dotate di massa e di carica elettrica, le quali trasportano quantità di moto. Ricordiamo che le onde possono anche essere interpretate come delle particelle non dotate di massa e aventi carica elettrica neutra, grazie alla doppia natura di onda e di particella con la quale si caratterizzano.

Cosa spinge la vela?

La forza propulsiva di un’onda dipende dalla pressione di radiazione, ovvero dal rapporto tra l’intensità dell’onda elettromagnetica e la velocità della luce nel vuoto. L’onda e la vela scambiano quantità di moto con valori compresi tra la quantità posseduta dalle particelle e il doppio di tale valore. Questi due valori indicano solo i casi limite di superficie perfettamente assorbente e perfettamente riflettente, nell’ipotesi in cui la superficie della vela sia posta in direzione ortogonale alle particelle in arrivo. Nella realtà industriale non esistono materiali perfettamente riflettenti, quindi il valore di pressione di radiazione medio è strettamente compreso tra i due detti valori.

L’uso di vele al posto di propulsori chimici o a gas inerti risulta efficace in missioni che non prevedono un motore a bordo. Tale scelta svincola dalla necessità di altri sistemi di propulsione che appesantirebbero il satellite o la sonda collegata alla vela. Oltre al vantaggio in termini di minore massa, e quindi di costi di trasporto, si ottiene un impulso specifico impresso sulla vela molto alto. Ciò nonostante, l’impiego di una vela in missioni interstellari o interplanetarie verso corpi celesti lontani risulta poco efficace, in quanto la prosecuzione della missione impiegherebbe tempi ben maggiori di quelli attesi.

Tipologie di vela

Dipendentemente dal metodo di propulsione, sono stati progettati diversi schemi di vela, alcuni entrati anche in fase di sperimentazione:

Vela solare. Questa vela utilizza la radiazione solare come propellente principale. Diversi progetti di vela solare dello scorso secolo prevedevano un telaio che sostenesse e dispiegasse la vela stessa, tuttavia la struttura risultava appesantita dal telaio stesso, come nelle vele quadrate o in quelle a disco. Le vele circolari, invece, non prevedono l’uso di un telaio ma si dispiegano per mezzo della forza centrifuga prodotta dalla rotazione attorno al proprio asse. Vi è un peculiare modello di vela solare, denominata eliogira, che presenta una struttura tipicamente simile a quella di un’ala rotante.
Rappresentazione artistica di una vela quadrata

Rappresentazione di una vela eliogira. Risulta evidente la struttura simile alle pale di un elicottero
Vela a laser. Il propellente di questa vela è proprio un laser, ovvero un fascio concentrato di radiazioni elettromagnetiche portato a elevate potenze. La sorgente laser emette il fascio verso una lente focalizzante, la quale ridireziona lo stesso fascio verso la vela. Per evitare che il fascio diverga a grandi distanze, si è pensato di usare una lente di Fresnel che concentri meglio il fascio.
Schema di funzionamento della propulsione laser. Una sorgente emette il fascio laser, che impatta contro la sonda e la accelera a velocità relativistiche
Vela a microonde. Questa vela impiega i maser al posto dei laser, ovvero fasci di onde elettromagnetiche nella frequenza delle microonde e delle onde radio. Il loro vantaggio rispetto ai laser risiede nella possibilità di raggiungere presto potenze elevate, ma a scapito di una divergenza più alta rispetto ai laser.

Vela magnetica. Questo tipo di vela magnetica risulta molto differente dai precedenti, in quanto esso non è concretamente una vela ma un campo magnetico statico molto intenso. Nella vela magnetica è possibile usare diversi propellenti: un fascio di pallottole dotate di carica, particelle del vento solare, oppure un fascio di plasma artificiale. Tutti questi “propellenti” interagiscono con il campo magnetico e trasferiscon la loro quantità di moto alla vela mentre si muovono lungo le linee di campo magnetico.
Possibile configurazione di una vela magnetica
Vela elettrica. La vela è costituita da una maglia di fili conduttori che ruota attorno ad un asse. La maglia viene resa positivamente carica in modo da produrre un campo elettrico che respinge le particelle del vento solare, con i quali avviene lo scambio di quantità di moto. I protoni sono le particelle più pesanti nel vento solare, di conseguenza possono scambiare maggiori quantità di moto rispetto agli elettroni.
Schema di funzionamento di una vela elettrica.

La missione LightSail 2

Tra le missioni focalizzate sull’impiego di una vela solare, sicuramente spicca la missione LightSail 2. Questa missione, promossa dalla Planetary Society e finanziata totalmente da privati cittadini, ha dimostrato la fattibilità di una propulsione di un piccolo satellite di tipo CubeSat tramite radiazione solare.

In questo video potete apprezzare il lento dispiegamento delle vele e le dimensioni di una vela solare, estremamente sottile e dotata di una superficie riflettente.

La vela, dispiegatasi del tutto per un’estensione di 32 m², ha propulso il satellite fino all’orbita di 720 km come da progetto. La missione ha segnato un grande traguardo per la propulsione solare a vela, e risulta ancora un punto di riferimento per le missioni a basso costo designate per le orbite basse.

I materiali

I materiali usati nelle vele devono soddisfare diversi criteri. Una vela deve, infatti, risultare leggera a fronte di un’area estesa, deve sopportare gradienti di temperatura molto alti, ed essere resistente ai piccoli urti. Inoltre, in fase di progettazione, si deve tenere conto del deterioramento procurato dall’interazione con particelle ad alta energia, ed evitare che si crei un accumulo locale di cariche.

Un solo strato di grafene posto sulla parte posteriore della vela occuperebbe solo lo spessore di un atomo, risultando in un incremento delle prestazioni della vela

Una vela presenta tipicamente due strati, uno destinato ad accogliere il fascio di radiazioni, e un altro dalla parte opposta. Per lo strato interno si possono usare materiali plastici come il Kapton®, adatto per operare in ampi range di temperature, il Mylar®-resistente a trazione-, oppure materiali metallici (Al, Cu, B, Li, Ag, Au, Mg). Per lo strato esterno, invece, si preferisce l’alluminio per motivi di economicità. A volte, tra i due strati, si frappone un terzo strato estremamente sottile di materiale conduttore, allo scopo di dissipare gli accumuli di carica e il calore in eccesso.