Unico in Europa ad essere stato progettato interamente da un ente di ricerca, TANDEM è uno dei pochissimi propulsori Hall europei di alta potenza, e il primo a doppio canale e schermatura magnetica. Inoltre, consente una riduzione dei consumi e degli ingombri.
Il gruppo di ricerca del laboratorio di propulsione elettrica del DICI, guidato dal Fabrizio Paganucci ha condotto con successo la prima campagna di prove del nuovo propulsore al plasma, TANDEM, i cui risultati sono stati presentati alla International Electric Propulsion Conference (IEPC 2024).
Il motore è stato interamente progettato dal Team dell’Università di Pisa, mentre le attività di realizzazione e prova sono state condotte dal partner industriale toscano Aerospazio Tecnologie S.r.l., nell’ambito del progetto finanziato dall’Agenzia Spaziale Europea TANDEM: High-Power Hall Thruster Prototype with Coaxial Channels.
"TANDEM è un motore di tipo Hall - spiega Fabrizio Paganucci - appartenente alla categoria dei propulsori elettrici, che utilizzano campi elettromagnetici per accelerare un fluido propellente portato allo stato di plasma, generando una spinta. Per i limiti di potenza elettrica disponibile, le spinte prodotte dai propulsori elettrici sono molto più piccole di quelle ottenibili con i classici propulsori chimici. Per questo motivo, possono essere utilizzati esclusivamente per la navigazione spaziale e non per l’accesso allo spazio. Tuttavia, l’utilizzo di campi elettromagnetici per accelerare il propellente permette di avere velocità di scarico molto più elevate rispetto ai motori chimici, con una conseguente forte riduzione della massa di propellente necessario a parità di missione propulsiva, e quindi riduzione dei costi".
I motori Hall sono ormai largamente utilizzati su satelliti terrestri e in missioni scientifiche, sia come sistemi per il mantenimento orbitale e compensazione di perturbazioni sia per manovre di variazione orbitale. Basti pensare che ciascuno degli oltre 6000 satelliti della costellazione Starlink di SpaceX attualmente in orbita monta a bordo un motore di questo tipo. Propulsori Hall di alta potenza saranno anche utilizzati come sistema propulsivo principale della stazione spaziale lunare Gateway: la taglia di TANDEM è idonea a questo tipo di missioni.
TANDEM rappresenta un importante passo in avanti nella ricerca sui propulsori Hall, ed il suo sviluppo segna numerosi primati:
ALTA POTENZA
TANDEM, con una potenza nominale massima di 25 kW, è uno dei pochissimi propulsori Hall europei di alta potenza. Questo lo rende un candidato ideale per future missioni spaziali con grossi carichi, come quelle verso la Luna o interplanetarie. È inoltre l’unico ad essere stato progettato interamente da un ente di ricerca, visto che gli altri due esistenti in Europa (PPS-20k di Safran, e HT-20k di Sitael) sono stati sviluppati da aziende private.
CONFIGURAZIONE INNOVATIVA
TANDEM ha una configurazione a doppio canale. E’ infatti il primo propulsore europeo con due canali di scarica integrati, che condividono un unico circuito magnetico e un unico catodo centrale. Questa configurazione assicura un intervallo operativo molto più ampio rispetto a configurazioni convenzionali, in quanto i singoli canali possono essere accesi individualmente o insieme. Inoltre, ciò permette di usare più efficientemente l’area interna al canale più grande che solitamente è inutilizzata per grossi motori. Sostanzialmente TANDEM è costituito da tre motori contenuti nello stesso spazio occupato normalmente da uno.
LUNGA VITA OPERATIVA
TANDEM è uno dei primi motori ad utilizzare la tecnica della schermatura magnetica, che impiega una particolare topologia magnetica per ridurre l’erosione dei canali ceramici. In questo modo è possibile estendere la vita operativa del motore fino a più di 1000 volte rispetto ad un motore Hall tradizionale.
PRESTAZIONI ELEVATE
TANDEM ha dimostrato di avere già dalle prime prove prestazioni allo stato dell’arte, comparabili con quelle di motori della stessa classe di potenza e con molteplici propellenti (in particolare xeno e krypto).
CATODO CAVO PER ALTE CORRENTI
TANDEM implementa una particolare catodo cavo progettato ad hoc per operare con correnti fino a 100 A con bassissimi consumi di propellente. Inoltre, esso è posizionato al centro del motore con un ulteriore riduzione degli ingombri, benché sottoposto a elevatissimi carichi termici.
Il gruppo di propulsione elettrica che ha progettato il motore ed eseguito con con il partner industriale i test preliminari sul catodo e di mappatura del campo magnetico è costituito dai post-doc Giulia Becatti e Manuel Martin Saravia e i dottorandi Francesco Marconcini, Guido Giammarinaro e Carla Guidi (dottorato in Smart Industry), sotto la direzione del Prof. Paganucci. Al lavoro hanno collaborato anche i numerosi studenti del corso di laurea magistrale in Space Engineering con numerose tesi sull’argomento.
L’Università di Pisa dimostra quindi nuovamente un ruolo di primo piano nell’innovazione e nel progresso nel campo della propulsione elettrica, perseguendo l’obiettivo di formare e appassionare al tema dell’esplorazione spaziale nuove generazioni di giovani ingegneri.
Il gruppo desidera dedicare i risultati ottenuti alla memoria del Prof. Mariano Andrenucci, scomparso a marzo di questo anno. Con lungimiranza, già molti anni fa sollecitò presso la comunità internazionale della propulsione elettrica la ricerca sui motori Hall multicanale.
