Hotbird, una nuova era per i satelliti con i prossimi motori elettrici

Motore effetto Hall

Eutelsat ha commissionato ad Airbus Defence and Space due nuovi satelliti con motori elettrici di posizionamento per sostituire i tre satelliti attualmente operativi su Hotbird, la sua principale posizione orbitale a 13 ° Est. Con circa 1.000 canali televisivi, di cui oltre 340 in HD, trasmessi in oltre 135 milioni di abitazioni, Hotbird è la posizione ammiraglia di Eutelsat: solo in Italia ha un’audience stimata in circa 10 milioni di case. La «svolta elettrica di Hotbird sta destando molto interesse soprattutto in Italia – spiega l’amministratore delegato di Eutelsat Italia, Renato Farina –. Il motivo è dettato dal fortissimo legame con i servizi della flotta Hotbird, che da sempre è sinonimo di innovazione tanto a livello di linguaggi quanto di formati di trasmissivi».

I nuovi satelliti Hotbird, in virtù del considerevole risparmio di peso del combustibile adottato dai motori elettrici di posizionamento rispetto a quello impiegato nei tradizionali motori a combustione chimica dell’attuale generazione, consentirà di favorire il potenziamento dei servizi del transponder.

Renato Farina AD Eutelsat Italia
Renato Farina AD Eutelsat Italia

«La propulsione elettrica da parte dell’operatore satellitare – osserva Farina – permette un risparmio consistente a livello di masse utilizzate. Questo perché un satellite elettrico pesa grosso modo il 40% in meno rispetto a un satellite della precedente generazione che utilizza diverse tonnellate di carburante per effettuare le manovre in orbita».

I due satelliti ad alta potenza completamente elettrici, il cui lancio è previsto nel 2021, entreranno in servizio nel 2022, in sostituzione dell’attuale costellazione di tre satelliti, per Europa, Medio Oriente e Nord Africa. Secondo gli esperti di Eutelsat «consentiranno di rafforzare la qualità dei servizi broadcast forniti attraverso la flotta Hotbird, garantendo il miglioramento della performance in Europa occidentale e in Polonia.

I nuovi satelliti offriranno anche funzionalità avanzate in termini di protezione dell’uplink del segnale e un’eccezionale ridondanza in orbita. La nuova tecnologia consentirà all’operatore di migliorare ulteriormente l’ottimizzazione degli investimenti ottenuta attraverso l’applicazione della policy design-to-cost».

La piattaforma Eurostar Neo

I nuovi satelliti Hotbird a propulsione elettrica saranno basati sull’innovativa piattaforma Eurostar Neo di Airbus Defence and Space che sarà prodotta, assieme ai loro payload a elevate prestazioni, nelle strutture del Regno Unito (a Stevenage e a Portsmouth) e nella struttura francese a Tolosa.

Eurostar Neo combina una maggiore capacità di carico con sistemi di controllo energetico e termico più efficienti, tempi di produzione più brevi e costi ottimizzati.

Rodolphe Belmer, amministratore delegato di Eutelsat, ha dichiarato: «Siamo lieti di aver assicurato capacità sostitutiva su Hotbird, la nostra posizione orbitale di punta a 13 ° Est, che ha contribuito all’evoluzione dei formati di trasmissione televisiva sin dalla sua creazione e che costituisce un pilastro della nostra strategia video.

I nuovi satelliti sono stati specificamente progettati per migliorare il servizio che offriamo ai clienti su questa posizione chiave e rappresentano una soluzione ottimale in termini di efficienza degli investimenti. Affidiamo ancora una volta questo progetto al nostro partner Airbus Defence and Space, che ha già realizzato 23 satelliti per il nostro gruppo».

«La continua fiducia di Eutelsat nei confronti dei nostri prodotti ha fatto sì che diventasse il cliente di lancio di Eurostar Neo, che sarà il nostro nuovo satellite di punta per le telecomunicazioni – ha affermato Nicolas Chamussy, Head di Space Systems di Airbus –. Eutelsat è stato il nostro partner principale per la maggior parte delle nostre anteprime, tra cui Eurostar E2000+ ed Eurostar E3000, oltre che per la messa in orbita a propulsione unicamente elettrica».

«Eurostar Neo combina l’innovazione con le tecnologie collaudate, dando vita a una linea di prodotti che sarà come sempre affidabile e che offrirà le migliori prestazioni sul mercato – ha proseguito Chamussy –. Eurostar Neo sarà prodotta all’interno della fabbrica digitale 4.0, una modalità di produzione totalmente innovativa che garantirà la continuità dei dati end-to-end fino ai risultati finali dei test in orbita».

Lo sviluppo della piattaforma Eurostar Neo di Airbus è stato sostenuto dall’Agenzia Spaziale europea (ESA) e dalle diverse agenzie spaziali europee nell’ambito del programma ARTES-14 guidato dall’ESA e dal CNES e fortemente appoggiato dall’Agenzia spaziale del Regno Unito.

Eutelsat all’avanguardia nell’elettrico

Eutelsat è stato uno dei primi provider a impiegare satelliti a propulsione elettrica: il primo satellite commerciale di questo tipo è stato Eutelsat 115 West B nel 2015, mentre il primo satellite europeo del genere è stato Eutelsat 172B, nel 2017. Più recentemente, il 20 giugno 2019, è stato lanciato Eutelsat 7C che è il quarto satellite completamente elettrico della flotta Eutelsat (4 in orbita, 4 in lancio).

Secondo i tecnici di Eutelsat, la propulsione elettrica consente di avere satelliti con una maggiore potenza e una massa inferiore. Questo permetterà di sostituire l’attuale costellazione di tre satelliti Hotbird a 13° Est con due.

I nuovi satelliti Hotbird avranno una massa al decollo di soli 4.500 kg, inferiore a quella degli attuali, e una potenza elettrica di 22 kW, maggiore di quella degli attuali. Inoltre, la nuova versione EOR (Electric Orbit Raising) completamente elettrica della piattaforma Eurostar Neo, consente manovre stazionarie e orbitali più veloci grazie a propulsori orientabili in modo da essere allineati sempre con il centro di gravità del satellite.

Eutelsat 172 B
Eutelsat 172 B è il primo satellite europeo completamente elettrico

La flotta Hotbird attuale

La flotta di satelliti Hotbird a 13° Est di Eutelsat fornisce una copertura completa dell’Europa e di parte dell’Africa e Asia, comprendendo tutto il Medio Oriente. Questa è la più importante posizione in Europa per la ricezione di servizi televisivi e radio al consumatore. Un Superbeam permette la ricezione direttamente sulle abitazioni al centro dello spot di trasmissione con antenne paraboliche inferiori ai 60 cm di diametro e nel Wide Beam con antenne di poco più grandi, offrendo la possibilità di ricevere in tutta Europa, Nord Africa, e raggiungendo Mosca e Dubai. La flotta Hotbird a 13° Est fornisce servizi televisivi, radiofonici e interattivi via cavo e via satellite in Europa, Nord Africa e Medio Oriente.

L’attuale flotta Hotbird è costituita dai tre satelliti Hotbird 13B,13C e 13E (secondo la denominazione unificata adottata da Eutelsat nel marzo 2012), di cui EADS Astrium ha progettato e costruito sia il carico utile sia la ha piattaforma, che sono stati lanciati fra il 2006 e il 2008. Ciascun satellite dispone di 64 transponder che possono essere azionati simultaneamente.

Ogni navicella spaziale aveva una massa di lancio di circa 4,9 tonnellate, una campata solare di 45 metri, una volta dispiegata in orbita e una potenza di 17,5 kW (14 kW a fine vita) ed è stata progettata per fornire servizi commerciali per un minimo di 15 anni.

Dai motori chimici ai quelli elettrici

In generale, i motori impiegati per il posizionamento dei satelliti nello spazio utilizzano l’espulsione di un flusso di particelle, determinando, per il principio di azione e reazione (terza legge di Newton), una spinta in senso contrario alla direzione di espulsione del flusso stesso. Il meccanismo di creazione del flusso di particelle, e della spinta che ne consegue, è diverso nel caso dei motori di tipo chimico e in quello di tipo elettrico.

Nei tradizionali motori spaziali di tipo chimico, il propellente (ad es. idrazina) viene portato ad alta temperatura in una camera di combustione e lasciato espandere attraverso un ugello, determinando in tal modo la spinta per reazione.

In un motore spaziale di tipo elettrico le particelle del propellente vengono dapprima caricate elettricamente, formando una nube di ioni (detta anche plasma) le cui particelle cariche sono accelerate da un campo elettrico e infine espulse, generando così la spinta del veicolo. Nella parte esterna del motore è necessario neutralizzare la carica degli ioni per evitare che le particelle ritornino verso il veicolo annullando la spinta.

Il funzionamento

Gli atomi del propellente sono iniettati nella camera di scarico e sono ionizzati dal bombardamento elettronico, formando un plasma. Gli ioni caricati positivamente si diffondono verso il sistema di estrazione della camera e vengono accelerati dalla differenza di potenziale tra la prima e la seconda griglia (chiamate rispettivamente griglia dello schermo e dell’acceleratore).

La tensione negativa della griglia dell’acceleratore impedisce agli elettroni del plasma al di fuori del propulsore di ritornare al plasma di scarica. Gli ioni positivi espulsi spingono la navicella nella direzione opposta. La neutralizzazione è necessaria per evitare che la navicella acquisisca una carica negativa, che attirerebbe gli ioni positivi verso la nave spaziale e annullerebbe la spinta.

Hotbird Electrostatic_ion_thruster
Lo schema del funzionamento di un motore elettrico. Le particelle del propellente vengono dapprima caricate elettricamente
e poi accelerate da un campo elettrico e espulse, generando così la spinta del veicolo

Tipi di motori elettrici

Vi sono tre tipologie principali di motori elettrici a seconda del meccanismo di accelerazione delle particelle: i motori di tipo elettrostatico che sfruttano la forza di Coulomb, i motori di tipo elettromagnetico che sfruttano la forza di Lorentz e infine i motori a effetto Hall che sfruttano una combinazione delle due forze elettrostatica ed elettromagnetica.

I propulsori ionici a griglia elettrostatica usano comunemente gas di xeno, che viene ionizzato bombardandolo con elettroni provenienti da un catodo rovente.

Vengono creati ioni carichi positivamente a causa della perdita di un elettrone. Questi ioni positivi si diffondono poi attraverso la griglia positiva ed entrano nella zona di differenza di potenziale tra la griglia positiva e quella negativa (anodo e catodo rispettivamente).

Tale differenza di potenziale accelera gli ioni portandoli a una velocità molto elevata. E sono proprio gli ioni che, attraversando la griglia negativa, generano la spinta. Un ulteriore catodo nella parte esterna del motore emette altri elettroni che si combinano con gli ioni per neutralizzarli.

I propulsori elettromagnetici possono esse del tipo magnetoplasmadinamici (MPD) o del tipo a forza di Lorentz in litio (LiLFA). I primi utilizzano idrogeno, argon, ammonio o azoto come propellente. Il gas entra nella camera principale dove viene ionizzato in plasma dal campo elettrico tra l’anodo e il catodo, conducendo poi corrente tra essi.

Questa nuova corrente crea un campo magnetico attorno al catodo che attraversa il campo elettrico, accelerando di conseguenza il plasma a causa della forza di Lorentz. Il propulsore LiLFA usa vapore di litio, che ha il vantaggio di poter essere immagazzinato in forma solida, e il catodo è formato da alcune bacchette di piccole dimensioni inserite in un tubo catodico cavo, per resistere meglio alla corrosione nel contatto con il plasma.

I propulsori a effetto Hall accelerano gli ioni attraverso l’uso di un potenziale elettrico mantenuto tra un anodo cilindrico e un plasma caricato negativamente che forma il catodo. L’anodo cilindrico porta al centro una punta che produce un campo magnetico radiale tra essa e il tubo. Gli elettroni si muovono a spirale verso l’anodo, circolando attorno alla punta in una corrente di Hall.

Quando raggiungono l’anodo colpiscono il propellente (tipicamente xeno o gas di bismuto) e lo ionizzano, prima di essere accelerati dal potenziale elettrico ed espulsi.

Hotbird Motore effetto Hall ionico come funziona
Il funzionamento di un motore a effetto Hall si basa sull’accelerazione di ioni che vanno a colpire il propellente (tipicamente xeno o gas di bismuto) e lo ionizzano, prima di essere accelerati dal potenziale elettrico ed espulsi

I propellenti

L’energia di ionizzazione rappresenta una grossa percentuale dell’energia richiesta per il funzionamento dei motori elettrici. Il propellente ideale per questi motori è quindi una molecola o atomo con un elevato rapporto fra massa ed energia di ionizzazione, consentendo di creare velocità di scarico elevate, anche con differenze di potenziale relativamente piccole. Questo riduce la quantità di massa reattiva o carburante richiesto, e naturalmente aumenta la quantità di potenza elettrica necessaria in confronto a quella dei razzi chimici.

Il propellente non deve causare un grosso grado di erosione del propulsore per permetterne una lunga durata e non deve contaminare il veicolo.

Molti degli attuali modelli usano il gas di xeno a causa della sua bassa energia di ionizzazione, del numero atomico relativamente alto, della sua natura inerte e del basso grado di erosione. Tuttavia, lo xeno è poco presente in natura e quindi è molto costoso.

Altri propellenti, come il bismuto, hanno mostrato buone possibilità e sono tuttora aree di ricerca, in particolare per i modelli senza griglia, come i propulsori a effetto Hall.

I vantaggi

Mentre nel caso dei motori chimici è la energia termica del propellente a essere trasformata in energia cinetica, nel caso dei motori elettrici è l’energia elettrica del propellente a essere trasformata in energia cinetica.

Pertanto, con i motori chimici è necessario un adeguato carico di propellente per assicurare un’adeguata autonomia del satellite, mentre nel caso dei motori elettrici è sufficiente una carica di propellente minore poiché l’autonomia è soprattutto determinata dall’energia elettrica fornita dalle celle solari a bordo del satellite.

Nei primi anni della scoperta e dello sviluppo dei motori elettrici, il loro impiego era limitato rispetto ai motori chimici per la ridotta potenza elettrica disponibile a bordo del veicolo spaziale. Oggi con il miglioramento della loro tecnologia, il risparmio di carico di propellente, che è possibile realizzare con i motori elettrici rispetto a quelli chimici, va a vantaggio di una maggiore payload del transponder e delle stesse celle solari.

Verso satelliti completamente elettrici

I motori elettrici trovano impiego da alcuni anni nelle principali missioni spaziali e in particolare per i satelliti geostazionari per telecomunicazione.

Inizialmente si è arrivati a utilizzare un motore ibrido, che utilizzava per il posizionamento del veicolo nello spazio un mix di prodotti chimici e di propellenti ionici.

Da alcuni anni è iniziato l’impiego di satelliti completamente elettrici, che usano esclusivamente motori elettrici, consentendo in tal modo un consistente risparmio di propellente caricato a bordo del satellite al momento del lancio.

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