Propulsione al plasma, ecco la soluzione per riuscire a costruire gli apparentemente impossibili aerei a zero emissioni.
Cos’è il plasma
Il plasma è uno stato della materia molto comune e presente costantemente nella nostra vita quotidiana, visto che ne è ricca l’attività solare. Oltre il 99% dell’Universo visibile, formato da stelle e spazi interstellari, è costituito da plasma.
Anche uno strato importante dell’atmosfera terrestre, la ionosfera, è caratterizzato dalla presenza di plasma.
Il plasma è protagonista di molti aspetti della ricerca fisica moderna e contemporanea.
Un plasma è un gas ionizzato costituito da una miscela quasi-neutra di elettroni liberi, ioni (atomici o molecolari) e specie neutre interagenti tra di loro.
Il quarto stato della materia
Comunemente definito come il quarto stato della materia, il plasma non è però raggiunto dai gas attraverso una transizione di fase.
La transizione di fase in senso termodinamico tra stato solido, liquido e gassoso avviene infatti a precise condizioni di pressione e temperatura, mentre la formazione di plasma a partire da un gas avviene gradualmente all’aumentare della temperatura.
Propulsione al plasma al MIT di Boston
Il gruppo di ricerca del MIT sulla propulsione elettrica applicata all’aeronautica cerca soluzioni alternative all’attuale utilizzo dei combustibili fossili negli aeroplani di tutto il mondo, estremamente inquinante e impattante dal punto di vista dei cambiamenti climatici.
L’ambito di ricerca relativo alla propulsione al plasma ha portato all’ottenimento di un risultato storico per l’aviazione.
L’aereo senza parti in movimento
Il progetto del MIT è estremamente ambizioso e apre un capitolo inesplorato e secondo molti impossibile del volo in atmosfera.
Il volo allo stato solido ha dimostrato di poter funzionare nello spazio con la sonda Dawn della NASA, utilizza per raggiungere gli asteroidi Vesta e Cerere del Sistema Solare nello scorso decennio.
Vento ionico
Il prototipo messo a punto dal MIT però va in un territorio inesplorato e porta sulla Terra, all’interno dell’atmosfera, la possibilità di volare soltanto attraverso la creazione di un vento ionico. Il vento ionico è ottenuto grazie alla generazione di plasma con una forte differenza di potenziale elettrico e senza parti in movimento.
Il prototipo ha una massa di circa 2,268 kg comprensiva delle batterie al litio polimeriche ospitate nella fusoliera e un’estensione alare di cinque metri.
La potenza del sistema elettrico di bordo è di 400 Watt, con differenze di potenziale – capaci di creare il vento ionico alla base della dinamica di volo – di 40.000 Volt.
Il primo volo allo stato solido della storia
Il primo volo della storia aeronautica mondiale di un aereo con propulsione al plasma, senza parti in movimento, avviene nella grande palestra del DuPont Athletic Center del Massachusetts Institute of Technology di Boston.
Il volo del prototipo messo a punto dal professor Steven Barrett, direttore del Laboratorio per l’aviazione e l’ambiente del MIT, e dai suoi colleghi di diversi laboratori coinvolti nell’impresa, è lungo 60 metri -la massima lunghezza consentita dalla palestra – e viene ripetuto dieci volte con caratteristiche simili.
Come funziona il prototipo del MIT
Il vento ionico che si dimostra capace di sostenere il volo del prototipo è ottenuto generando plasma grazie alla differenza di potenziale tra un primo filo caricato a +20.000 Volt e un secondo che invece è a -20.000 Volt.
Questo permette di sottrarre elettroni alle molecole di azoto naturalmente presenti in atmosfera e di ionizzarle, inducendo la loro forte attrazione da parte dell’elettrodo negativo.
Il flusso crea un vero e proprio vento ionico, capace di trasportare con sé le molecole d’aria con le quali entra in contatto nella migrazione. Le molecole d’aria vengono spinte verso il profilo alare e permettono l’ottenimento di una portanza e il volo dell’aereo.
Propulsione al plasma all’Institute of Technological Sciences di Wuhan in Cina
La sfida per il raggiungimento della propulsione al plasma in atmosfera per uso aeronautico è stata raccolta immediatamente dai ricercatori di Wuhan in Cina.
La megalopoli dello Hubei è diventata famosa nel mondo come luogo di origine della pandemia mondiale di Coronavirus.
Si tratta di un centro di grande importanza dal punto di vista scientifico e tecnologico ed è sede dell’eccellente ITS – Institute of Technogical Sciences.
Aerei jet senza combustibili fossili
Il gruppo del professor Jau Tang dell’ITS di Wuhan punta su una soluzione completamente diversa rispetto a quella del MIT di Boston.
In questo caso non si crea un vento ionico per sostenere il volo ma si ottiene un vero e proprio sistema con propulsione a getto, simile nella fisica del volo a quella degli aerei attuali turbo-jet.
Il getto, quindi, è la vera chiave della tecnologia cinese. Questo perchè la potenza ottenuta, secondo la pubblicazione dei risultati a firma di Jau Tang, Dan Ye e Jun Li sulla rivista scientifica AIP Advances, è molto superiore a quella del prototipo americano.
Confronto tra le soluzione MIT Boston vs Wuhan
La soluzione del MIT, secondo i calcoli cinesi, garantisce una portanza di 6 N/kW e permette di raggiungere una pressione di 3 N/m2.
Mentre la tecnologia sviluppata a Wuhan dimostra già nel prototipo una spinta di 10 Newton con 400 Watt di potenza, utilizzando un flusso d’aria di 0,5 litri/secondo.
Questo corrisponde a ben 28 N/kW di forza di sollevamento, con una pressione jet di 24.000 N/m2.
Con un maggiore flusso d’aria e una maggiore potenza delle microonde, la forza e la pressione ottenibili sono comparabili a quelle di un attuale turbogetto per aeroplani commerciali.
Come funziona il prototipo di Wuhan
Il sistema è costituito da un magnetron, cioè un generatore di onde elettromagnetiche simile nel principio a quello dei forni a microonde, da un compressore d’aria, da un alimentatore e da un tubo di quarzo all’interno del quale far sviluppare il getto al plasma.
Completa la componentistica un sistema di accensione della fiamma, la cui lunghezza e luminosità varia con la potenza di generazione delle microonde.
La spinta ottenuta è visualizzata nel filmato ed è misurata grazie al sollevamento di una sfera d’acciaio.
Prossimi passi verso l’aereo a zero emissioni
La soluzione del MIT sta prendendo la strada dei droni, per riuscire a realizzare piccole macchine volanti analoghe nelle prestazioni a quelle attuali ma silenziose.
Per quanto riguarda invece Wuhan, la sfida è nella misurazione delle prestazioni con sistemi di maggiore potenza. La temperatura della fiamma impone infatti soluzioni diverse alla semplice sfera d’acciaio per valutare il risultato ottenuto.
Aerei verdi
Ma la strada della propulsione al plasma è aperta. L’aereo del futuro non può che essere verde.
