Experimental Characterization of Plasma Sources for Space Propulsion

Questo progetto di ricerca verte sullo sviluppo e la caratterizzazione sperimentale di avanzati sistemi propulsivi a plasma, utilizzati per applicazioni spaziali. La ricerca si è avvalsa tanto di misure sperimentali quanto di simulazioni numeriche, al fine di acquisire una completa comprensione dei processi fisici che caratterizzano il funzionamento dei propulsori analizzati. Il progetto è articolato in tre parti, ognuna delle quali dedicata ad uno specifico propulsore. La prima parte del progetto, svolta nell'ambito del programma di ricerca europeo HPH.com, consiste nello sviluppo di un propulsore in Radio-Frequenza senza elettrodi esposti al plasma. Le attività riguardano la progettazione e la realizzazione di un apparato sperimentale dedicato, comprendente molteplici sistemi di diagnostica. Le proprietà del plasma nella sorgente in Radio-Frequenza sono monitorate mediante spettroscopi ottici ed un interferometro a microonde, mentre il getto di plasma eiettato è caratterizzato tramite un Retarding Potential Analyzer e una sonda di corrente. Un'estensiva campagna di test ha permesso la realizzazione di una sorgente di plasma ottimizzata; la configurazione identificata si basa su un'antenna innovativa ed una particolare struttura magnetica, prodotta da corone di magneti permanenti con magnetizzazione radiale. Inoltre la dinamica del plasma nel propulsore è stata analizzata mediante il codice F3MPIC, di tipo particle-in-cell: le simulazioni mostrano la formazione di un beam ionico supersonico nel plasma eiettato. Infine sono state individuate le linee guida per la progettazione del prototipo finale previsto dal progetto HPH.com. Nella seconda parte del progetto, è stata svolta un'indagine sperimentale e numerica sul propulsore elettrostatico a cuspidi magnetiche della Stanford University. L'obbiettivo principale di indagine consiste nella comprensione del meccanismo di accelerazione degli ioni. A tal fine, il vettore velocità degli ioni viene misurato in prossimità della sezione di uscita del propulsore, mediante la tecnica "Laser-Induced-Fluorescence". Il campo di velocità ottenuto è quindi correlato alla struttura magnetica, alla distribuzione del potenziale elettrostatico e a misure di corrente svolte nel plasma eiettato. Il propulsore viene inoltre simulato mediante F3MPIC. La combinazione dei risultati numerici con quelli sperimentali, tra loro consistenti, fornisce una descrizione fisica del meccanismo di accelerazione e del ruolo della topologia magnetica nella determinazione della divergenza del getto di plasma eiettato. Come terza parte, viene proposto un sistema propulsivo innovativo, basato sull'accelerazione di un plasma prodotto da una sorgente primaria mediante un campo magnetico che si propaga spazialmente. Il meccanismo di accelerazione viene studiato mediante un modello monodimensionale di tipo particle-in-cell. Sono svolti alcuni esperimenti preliminari utilizzando una sorgente a microonde per la ionizzazione ed una linea di trasmissione per la generazione del campo magnetico.