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Questo lavoro studia la ionizzazione dei propellenti atmosferici in plasmi accoppiati induttivamente (ICP). Nasce dall’interesse di approfondire la comprensione della chimica del plasma atmosferico per l’applicazione a sistemi di propulsione elettrica air-breathing (ABEP) per satelliti operanti in orbite terrestri molto basse (VLEO). Queste orbite, che vanno da 100 a 350 km di altitudine, offrono vantaggi quali migliori capacità di osservazione della Terra, prestazioni superiori nelle telecomunicazioni e mitigazione naturale dei detriti. Tuttavia, la presenza di resistenza atmosferica richiede una regolazione continua della spinta, il che limita la vita operativa dei sistemi di propulsione elettrica convenzionali che si basano su propellente immagazzinato. I sistemi ABEP rappresentano un tentativo di soluzione a questo problema, Essi consistono in una piattaforma capace di raccogliere e accelerare le specie atmosferiche residue, principalmente azoto molecolare e ossigeno atomico, usando un propulsore al plasma per contrastare la resistenza senza trasportare propellente a bordo. Il flusso rarefatto in cui opera l’ABEP, insieme alla peculiare composizione dell’atmosfera (e quindi del propellente) alle altitudini VLEO, rende particolarmente difficile la simulazione sperimentale a terra del funzionamento di queste piattaforme.
Un numero limitato di modelli globali è stato sviluppato per analizzare la chimica del plasma all’interno di un propulsore elettrico air-breathing, con un crescente livello di dettaglio dei processi coinvolti. Partendo da questa base, il presente lavoro arricchisce l’insieme delle reazioni includendo argon e ioni con carica superiore a 1. In primo luogo, è stato formulato un modello globale per la scarica nel regime a radiofrequenza (RF) [1] e poi integrato con un modello per la chimica dettagliata di miscele azoto-ossigeno-argon [2]. Il lavoro proposto procede quindi ad analizzare il transitorio di accensione dal punto di vista delle specie che compongono il plasma a bassa temperatura che crea in queste condizioni: ioni positivi e negativi, specie eccitate elettronicamente e vibrazionalmente, specie atomiche e molecolari e composti molecolari ossigeno-azoto,
Il modello globale per la sorgente al plasma RF include le equazioni di continuità per ogni specie e l’equazione dell’energia per gli elettroni. Le reazioni tra le diverse specie accoppiano le equazioni di continuità. Si suppone che gli ioni vengano neutralizzati alle pareti ed escano con la velocità di Bohm attraverso un’area efficace corretta tramite gli h-factors. L’assunzione di quasi-neutralità è adottata per regolare il trasporto degli elettroni fuori dal volume. La sorgente accoppiata induttivamente utilizza una antenna a $N$ spire avvolta attorno ad un cilindro dielettrico, in cui scorre una corrente $I_{coil}$ alla frequenza $f$. La risposta RF del plasma è descritta tramite parametri concentrati, ossia $R_p$ e $L_p$, e la potenza assorbita dagli elettroni è calcolata di conseguenza.
Il modello include reazioni di eccitazione, ionizzazione e dissociazione indotte da impatto elettronico, insieme a tutte le reazioni rilevanti neutro-neutro, neutro-ione e ione-ione per miscele $N_2$-$O_2$-$Ar$. La funzione di distribuzione dell’energia elettronica è ipotizzata maxwelliana. Una campagna di simulazioni sarà condotta per investigare l’influenza dei parametri principali quali: corrente nell’antenna, portata di gas in ingresso e frequenza del segnale RF.
Questa attività condurrà allo sviluppo di uno strumento per la simulazione della chimica del plasma d’aria con una deposizione di potenza realistica da un’antenna a radiofrequenza. Una delle sue caratteristiche principali sarà il costo computazionale relativamente basso, tale da permetterne l’esecuzione su un PC desktop. Un approccio a volumi discreti sarà sviluppato in seguito, il quale migliorerà la rappresentazione delle disomogeneità dovute alla geometria e ai campi magnetici applicati. Inoltre, con un approccio di questo tipo sarà possibile studiare la distribuzione radiale delle specie al variare della penetrazione del campo RF.
[1] P. Chabert, J. Arancibia Monreal, J. Bredin, L. Popelier, e A. Aanesland, «Global model of a gridded-ion thruster powered by a radiofrequency inductive coil», Phys. Plasmas, vol. 19, fasc. 7, p. 073512, lug. 2012, doi: 10.1063/1.4737114.
[2] E. Gaspari, E. Ferrato, V. Giannetti e T. Andreussi, «Plasma Chemistry Simulations in Air-breathing Electric Thrusters: Ignition Conditions and Core Trends», In 39th International Electric Propulsion Conference (IEPC 2025-167)
