IL PROGETTO DEL RAZZO A RICONNESSIONE MAGNETICA

Il propulsore a razzo in stile solar flare ( brillamenti solari) potrebbe inviare  gli astronauti fino ai confini del sistema solare esterno.
Questa è l'importante novità che arriva dalle nuove tecnologie di ricerca in ambito ingegneristico-spaziale.
E' stato presentato il progetto di un nuovo tipo di propulsore a razzo che replica il meccanismo alla base dei brillamenti solari e che sarebe in grado di inviare gli esseri umani su Marte e oltre con tempi molto più brevi.
Fatima Ebrahimi, una delle principali ricercatrici nel campo della fisica del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) nel New Jersey, ha proposto questo  principio. Il propulsore applicherebbe campi magnetici per provocare la fuoriuscita di particelle di plasma dalla parte posteriore del razzo, spingendolo in avanti. Gli attuali propulsori al plasma provati nello spazio utilizzano campi elettrici per spingere le particelle.
Il nuovo concetto invece, accelererebbe le particelle usando la riconnessione magnetica. Si tratta di un processo che si trova in tutto l'universo, inclusa la superficie del Sole. In pratica il concetto sfrutterebbe le linee del campo magnetico che convergono, si separano improvvisamente e poi si uniscono di nuovo, generando in questo modo molta energia. La riconnessione avviene anche all'interno di dispositivi di fusione tokamak a forma di ciambella.
 

Il Concetto di propulsione a riconnessione magnetica 

 
Ebrahimi ha affermato di lavorare a questo principio già da tempo. L'idea gli è arrivata nel 2017 mentre era seduta su un ponte e pensava alle somiglianze tra lo scarico di un'auto e le particelle di scarico ad alta velocità create dal National Spherical Torus Experiment (NSTX) di PPPL. Durante il suo funzionamento, questo tokamak produce bolle magnetiche chiamate plasmoidi che si muovono a circa 20 chilometri al secondo, davvero molto simile a una spinta che può accelerare una navicella nello spazio.
Gli attuali propulsori al plasma che utilizzano campi elettrici per spingere le particelle possono produrre solo un impulso specifico basso. Le simulazioni effettuate al computer seguendo questo principio hanno dimostrato che il nuovo concetto di propulsore al plasma potrebbe generare gas di scarico con velocità di centinaia di chilometri al secondo. Esattamente dieci volte più veloci di quelli di altri propulsori.
Una tale velocità più veloce all'inizio del viaggio di un veicolo spaziale potrebbe portare i pianeti esterni alla portata  delle prossime esplorazioni spaziali. 
Infatti i viaggi a lunga distanza richiederebbero allo stato attuale mesi o anni perché l'impulso specifico dei motori a razzo chimico è molto basso. Pertanto una navicella spaziale impiegherebbe molto tempo con lunghe missioni insostenibili per l'essere umano.  Ma se utilizzassimo  propulsori basati sulla riconnessione magnetica, potremmo plausibilmente completare missioni a lunga distanza in un periodo di tempo più breve a portata di esseri umani.
 
 

Differenza sostanziali tra propulsioni

Ci sono tre differenze principali tra il concetto di propulsore di Ebrahimi e altri dispositivi. Il primo è che la modifica della forza dei campi magnetici può aumentare o diminuire la quantità di spinta. In secondo luogo, il nuovo propulsore produce movimento espellendo sia particelle di plasma che plasmoidi, aggiungendo potenza alla propulsione. La terza differenza è che, a differenza dei concetti del propulsore di campo elettrico, i campi magnetici nel principio di Ebrahimi consentono al plasma di essere costituito da atomi pesanti o leggeri. Infatti  gli  altri propulsori richiedono gas pesante, fatto di atomi come lo xeno, mentre seguendo il principio della riconnessione magnetica sarebbe possibile utilizzare qualsiasi tipo di gas si desideri. Nel propulsiore al plasma verrebbero accelerate ed espulse bolle di plasma ottenendo una spinta molto più efficace della navicella spaziale nella direzione opposta e utilizzando gas leggero gli atomi più piccoli possono muoversi più rapidamente. 

 Questa sarebbe  la prima volta che i plasmoidi e la riconnessione sono stati proposti per la propulsione spaziale e il passo successivo sarebbe quello di costruire un prototipo. Questo studio preliminare ne dimostra la fattibilità, con simulazioni magneto-idrodinamiche (Mhd) di tipo resistivo nel corso delle quali due plasmoidi vengono espulsi in successione. Un fenomeno del genere (ovviamente su scale del tutto diverse) viene spesso osservato sul Sole, quando da una stessa regione attiva avvengono anche più eruzioni in sequenza nell’arco anche di poche ore. La sfida principale sarà dimostrare che il processo può effettivamente operare per un tempo indefinito (ossia produrre continue espulsioni di bolle di plasma in modo stazionario) così da fornire progressivamente l’accelerazione richiesta.

 

Principi di funzionamento 

Il principio presentato da Ebrahimi presenta un'analisi più dettagliata del processo di riconnessione magnetica come un promettente meccanismo di accelerazione del fascio ionico con possibili applicazioni nei plasmi di laboratorio e, soprattutto, nel campo della propulsione al plasma. In un lavoro precedente era già stato effettuato uno studio introduttivo su questo argomento, ma con l'adozione di approssimazioni rilevanti, come la limitazione alle simulazioni 2.5D. Ma soprattutto  veniva presentato l'uso del plasma di idrogeno come propellente, il cui elemento è raramente considerato nel scenario reale. Inoltre, l'analisi si è concentrata principalmente sullo studio del contenuto fisico dei risultati, tralasciando l'analisi di grandezze ingegneristiche più importanti, come il flusso di massa e la spinta effettivamente raggiunti da tali sistemi. In questo nuovo lavoro sono state colmate queste lacune al fine di fornire ulteriori approfondimenti sulle grandi potenzialità di una tecnologia futura basata sulla riconnessione magnetica. Inoltre, una delle caratteristiche potenzialmente limitanti era l'inevitabile deflusso simmetrico prodotto dal processo di riconnessione. Tra tutte le possibili soluzioni adottabili, è stata proposta una soluzione basata sul comportamento delle particelle intrapreso per entrare nella regione di riconnessione secondo il profilo di densità iniziale. Questo concetto potrebbe dimostrare  che un notevole valore di spinta netta può essere ottenuto impostando un profilo di densità asimmetrico longitudinale con un gradiente di caduta rilevante.
 
 
Fonte: PPPL physicist Fatima Ebrahimi, Journal of plasma physics e PPPL ufficio di comunicazione, facoltà Ph.D dell'Illinois.