In collaborazione con Beyond Gravity e con il supporto dell’ESA, gli scienziati dello Swiss Plasma Center (SPC) dell’EPFL hanno sviluppato un collettore rotante in grado di più che triplicare la tensione operativa dei satelliti ad alta tensione di nuova generazione.
L’attuale boom dell’esplorazione spaziale comporta non solo un maggior numero di satelliti, ma anche un miglioramento del numero di satelliti, il che significa maggiori requisiti di potenza e minori perdite elettriche. Ciò significa tensioni più elevate per l’elettronica dei satelliti e per i propulsori.
Per utilizzare l’energia prodotta dai pannelli solari, i satelliti sono dotati di un "collettore rotante". Questo componente essenziale serve a trasferire l’energia elettrica ai sistemi di alimentazione, come i computer di bordo, i tubi a onda mobile, le apparecchiature di raccolta dati e i propulsori durante la rotazione. A tal fine, il collettore rotante utilizza contatti elettrici scorrevoli: un anello rotante e una spazzola fissa - il "tergicristallo" o più precisamente il cilium. Quando il sistema ruota in un satellite, il tergicristallo scorre lungo la superficie dell’anello, trasferendo una corrente elettrica a bassa tensione.
Ora, gli scienziati dello Swiss Plasma Center (SPC) dell’EPFL e di Beyond Gravity sono riusciti a sviluppare un collettore rotante che consente di trasferire ai satelliti tensioni più elevate, aumentando la gamma dagli attuali 28.100 volt a 300.600 volt, con il risultato di migliorare le prestazioni dei satelliti e la resistenza ai guasti elettrici.
La ricerca è stata cofinanziata nell’ambito del programma ARTES (Advanced Research in TElecommunications Systems) Core Competitiveness dell’ESA, come parte del progetto APRIOM (Advanced sliP Ring for hIgh vOltage Mechanism), il cui obiettivo è "sviluppare, fabbricare e testare un assemblaggio sperimentale in un ambiente adatto". Nello spazio, un gruppo sperimentale viene utilizzato per verificare le funzioni critiche in un ambiente tipico con un gruppo rappresentativo in scala applicabile alla missione finale.
Il nuovo collettore rotante è il risultato di un altro progetto, Horizon 2020 High Voltage Electrical Power System Architecture ( HV-EPSA ), in cui il team di ricerca SPC, guidato dal professor Ivo Furno e comprendente il dottor Fabio Avino e il dottor Alan Howling, ha sviluppato un modello avanzato del collettore rotante cilindrico. Questo è stato prodotto dall’azienda svizzera RUAG Space, ora Beyond Gravity, con sede a Nyon e specializzata nella produzione di collettori rotanti.
Gli scienziati della SPC non volevano solo soddisfare la crescente esigenza di tensioni più elevate nei satelliti, ma anche superare le difficoltà di funzionamento di un collettore rotante nello spazio, eliminando il rischio di guasti elettrici, compresa la formazione di un plasma nocivo che avrebbe potuto danneggiare irreparabilmente il satellite.
In effetti, una delle difficoltà era rappresentata dai grandi cambiamenti di pressione che un satellite subisce, dalla pressione atmosferica al momento del lancio al vuoto profondo dello spazio. Si tratta di un problema ben noto perché l’isolamento dei componenti elettrici nei satelliti si basa solitamente su condizioni di vuoto, in assenza di pressione di gas. Le soluzioni proposte finora comportano configurazioni sempre più complesse di circuiti elettrici che possono interferire con il funzionamento dei satelliti.
Un’altra sfida è il numero di giri che il collettore deve fare al giorno, che dopo un po’ può avere effetti negativi sul suo funzionamento.
Come richiesto dal progetto APRIOM, gli scienziati del CSP hanno fornito competenze e supporto tecnico a Beyond Gravity nella riprogettazione dello slip ring e nei test in condizioni che riproducono la vita di un satellite. Il collettore rotante ha dimostrato di poter operare nell’intervallo di 400.500 volt (e 8 A) da pressioni molto basse (10-5 mbar) fino ai valori di pressione più critici (circa 1 mbar), con un conseguente trasferimento di potenza fino a 40 kW. Ha mantenuto queste prestazioni anche dopo 25.000 giri. In confronto, il collettore rotante di un satellite geostazionario compie circa 11.000 giri dopo 30 anni di funzionamento.
"Il successo di questo progetto è il risultato di una stretta collaborazione tra università e industria, in cui tutti i partner hanno dovuto comprendere le esigenze e i vincoli reciproci", spiega Ivo Furno. "Grazie al nuovo design del collettore rotante, che sarà testato in orbita nei prossimi anni, stiamo aprendo la strada alla prossima generazione di satelliti con propulsori ad alta potenza".
