Sorgenti ioniche a metallo liquido per applicazioni propulsive ad alta spinta

L’emissione di ioni da un metallo liquido per effetto di campo è un fenomeno largamente investigato, che trova applicazione nelle cosiddette Sorgenti Ioniche a Metallo Liquido (Liquid Metal Ion Sources, LMIS) nel campo, ad esempio, della microlitografia o della spettrometria di massa a ioni secondari. Uno dei caratteri distintivi di questo meccanismo di produzione di ioni è la dimensione ridotta della regione emittente, limitata essenzialmente a un cono di dimensioni micrometriche. La massima corrente estraibile dal singolo cono senza produrre riscaldamenti localizzati e fenomeni idrodinamici distruttivi è dell’ordine di pochi microA, valore in generale troppo basso per molte delle applicazioni di tipo spaziale. Tuttavia, la singola sorgente elementare può essere replicata in gran numero, sfruttando la formazione spontanea di microprotrusioni su superfici liquide lineari o piane dovuta all’equilibrio fra le azioni di segno opposto del campo elettrico e della tensione superficiale. E’ quindi possibile concepire sorgenti estese capaci di estrarre correnti ioniche intense e produrre spinte relativamente elevate, col solo limite delle dimensioni fisiche della sorgente. Un propulsore elettrico basato sulle LMIS ed operante nel campo dei kW presenta svariate caratteristiche attraenti rispetto ai motori a ioni con griglie e ai motori ad effetto Hall. Un tale propulsore si presta particolarmente bene all’impiego ad alta potenza e ad alto impulso specifico e risulta quindi un candidato ideale per alcune classi di missioni spaziali, come le missioni di trasferimento interplanetario. La ricerca documentata con il presente lavoro è stata rivolta all’obiettivo di individuare, realizzare e sperimentare una serie di configurazioni di sorgenti ioniche a metallo liquido potenzialmente adatte alla produzione di spinte elevate, basate su diversi meccanismi di formazione dei siti di emissione ionica. In seguito ad un’approfondita analisi della letteratura esistente sono stati elaborati modelli teorici per predire il comportamento delle configurazioni prese in esame. I modelli sono stati validati attraverso il confronto con i risultati sperimentali, incoraggianti anche se preliminari. La prospettiva più interessante per sviluppi futuri verso propulsori LMIS ad alta spinta sembra offerta dall’uso di superfici microstrutturate, come ad esempio membrane microforate, per la generazione di una matrice ad alta densità di siti preferenziali di emissione.