L’idea di un motore al plasma sembra fantascienza

Un team di scienziati cinesi ha sviluppato un prototipo che ne dimostra la fattibilità. 

I combustibili fossili rappresentano da sempre la principale fonte di energia, soprattutto nel settore dei trasporti. Queste risorse, oltre ad essere limitate e poco stabili, sono anche la più grande fonte di emissioni e causa di problemi respiratori.
La ricerca, in particolare in campo aerospaziale, sta facendo grandi progressi per trovare metodi di propulsione innovativa, più sicura ed efficiente. In questi termini, la propulsione al plasma rappresenta una delle soluzioni più promettenti alle criticità della propulsione chimica.

 

 

Si “nutre” solo di aria ed elettricità, ma spinge come un jet: è il motore al plasma appena annunciato da un laboratorio cinese. Qui gli articoli pubblicati sulla ricerca.

Il team è quello dell’ITS – Institute of Technological Sciences dell’Università di Wuhan. La stessa città dove si è sviluppata la pandemia Covid-19, che ora ora promette di regalare al mondo il sistema di propulsione in grado di de carbonizzare il più problematico dei mezzi di trasporto, quelle aereo. L’annuncio è arrivato nelle scorse settimane, quando i ricercatori hanno dichiarato di aver sviluppato un prototipo di un dispositivo a getto di plasma in grado di sollevare una sfera d’acciaio da 1 kg (2,2 libbre) su un diametro di 24 mm (un pollice) tubo al quarzo.

Questo motore comprime l’aria e la ionizza tramite microonde generando del plasma. Il plasma è uno dei quattro stati fondamentali della materia, quello in cui gli atomi vengono ionizzati in particelle cariche. Un motore al plasma utilizza l’elettricità per generare plasma e quindi espellere gli ioni per produrre spinta.

Le microonde per ottenere il plasma

La spinta relativa necessaria per raggiungere i risultati ottenuti in laboratorio è equivalente a quella di un motore jet di un aereo commerciale. E poiché il dispositivo utilizza solo elettricità e aria, una versione ingrandita potrebbe un giorno rappresentare un’alternativa a zero emissioni ai motori a reazione oggi in uso in tutto il mondo.

Resta da chiarire però un particolare di non  poco conto: i ricercatori cinesi non hanno rivelato quanta energia elettrica sia necessaria per produrre il plasma. Dunque quanta dovrebbe immagazzinarne un aereo nelle batterie prima del decollo e di conseguenza che dimensioni e peso dovrebbero avere tali batterie.

 

 

Il plasma è uno dei quattro stati fondamentali della materia. Quello in cui gli atomi vengono ionizzati in particelle cariche. Un motore al plasma utilizza l’elettricità per generare plasma e quindi espellere gli ioni per produrre spinta.

Nel progetto cinese, l’aria pressurizzata viene iniettata in una camera e sottoposta a temperature ultra elevate (oltre 1.000 gradi Celsius) e microonde per creare un plasma ionizzato, che viene quindi espulso creando propulsione.

Partendo dal prototipo sperimentato con successo a Wuhan, i ricercatori ritengono che in teoria la macchina potrebbe essere scalata fino fornire energia sufficiente a far decollare e volare un aereo. Sempre che si mettano a punto materiali in grado di resistere al calore e alla pressione necessari a a gestire il plasma. “In futuro sarebbe possibile costruire un propulsore a getto di plasma ad aria a microonde ad alte prestazioni, che porrebbe fine alle emissioni di carbonio e al riscaldamento globale causati dalla combustione di combustibili fossili“, ha affermato il professor Jau Tang dell’Università di Wuhan, principale coordinatore del progetto. Una descrizione dettagliata del prototipo è stata pubblicata sulla rivista AIP Advances.

 

Un’idea nata per lo spazio

Sebbene i propulsori ionici non siano nuovi – diversi satelliti e missioni interplanetarie, inclusa la sonda Dawn della Nasa lanciata nel 2007, li hanno usati – i dispositivi attuali producono solo un propellente a pressione molto bassa, equivalente alla potenza di un asciugacapelli, e possono quindi essere utilizzati solo nello spazio e in assenza di gravità  dove non c’è attrito atmosferico. Il dispositivo sviluppato a Wuhan inoltre comprime e quindi ionizza l’aria, anziché argon, xeno o idrogeno usati dai veicoli spaziali. Avrebbe  quindi una fonte illimitata di propellente e sarebbe molto più potente.

Una variante sviluppata soprattutto dai russi è il motore ad effetto Hall. A gennaio, China Aerospace Science and Technology Corporation ha annunciato di aver sviluppato il primo propulsore ad effetto Hall del paese, che da una potenza di ingresso di 20 kilowatt ha prodotto una spinta di un newton. Un newton è uguale alla quantità di forza richiesta per accelerare un oggetto ad una velocità di un metro al secondo, ogni secondo. In confronto, il dispositivo Wuhan ha raggiunto una forza di propulsione aerea di circa 11 newton.

Circa due anni fa, tuttavia, il Mit di Boston aveva realizzato un aliante spinto da un motore a vento ionico che aveva volato per 55 metri.

La soluzione del MIT di Boston

Anche il dipartimento di propulsione elettrica applicata all’aeronautica del MIT (Massachusetts Institute of Technology) aveva testato con successo un nuovo prototipo che genera spinta sfruttando il plasma. In questo caso però non era stato ottenuto attraverso un generatore di microonde e aria compressa ma generato da una forte differenza di potenziale elettrico (+ 20000 Volt e – 20000 Volt) tra due fili posizionati sui bordi d’attacco.

 

Schematizzazione del prototipo presentato dal MIT Credits: MIT
Schematizzazione del prototipo presentato dal MIT Credits: MIT

 

Il campo elettrico indotto è tale da ionizzare le molecole di azoto presenti in atmosfera e provocare la nascita di quello che si definisce vento ionico. Il flusso che si instaura fa si che le molecole d’aria spinte verso le ali generino una aliquota di portanza sufficiente.

 

Collisione di molecole con il profilo e generazione di portanza. Credit: MIT
Collisione di molecole con il profilo e generazione di portanza. Credit: MIT

I jet aeronautici, responsabili di inquinamento

In rapporto alle sue dimensioni, il settore del trasporto aereo è oggi quello che più contribuisce alle emissioni di gas serra con una quota pari al 2% del totale. Basti pensare che in un viaggio aereo ogni passeggero emette più CO2 di quella prodotta da un abitante di un Paese in via di sviluppo in un anno. Secondo le previsioni poi l’inquinamento proveniente dal settore raddoppierà entro il 2050 se non si troveranno sistemi di propulsione alternativi.

fonti: VaiElettrico I Ticinoonline


 

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