Unità ultraveloce per i satelliti
Una velocità vertiginosa di 150.000 giri al minuto: i ricercatori dell'ETH di Zurigo e dell'apertura Celeroton dell'ETH hanno sviluppato un azionamento elettrico a levitazione magnetica ultraveloce per ruote di reazione. L'alta velocità consente di miniaturizzare notevolmente il sistema di azionamento e lo rende interessante per l'uso in satelliti miniaturizzati.
"In realtà non c'è molto di nuovo", afferma con modestia Arda Tüysüz, postdoc presso il Power Electronic Systems Laboratory (PES) dell'ETH di Zurigo. L'elettronica, il cuscinetto magnetico, il principio fisico di base: tutto questo è già stato fatto. Ma mettere insieme questi principi di base in un azionamento ad alta velocità che è enormemente più piccolo e più efficiente dal punto di vista energetico e che raggiunge un numero di giri 20 volte superiore rispetto ai modelli precedenti: questa è l'arte ingegneristica che i ricercatori del PES hanno imparato a padroneggiare. In collaborazione con l'ETH spin-off Celeroton, Tüysüz e i suoi colleghi hanno sviluppato un nuovo tipo di azionamento per ruote di reazione con cuscinetti magnetici che raggiunge più di 150.000 giri al minuto.
Queste ruote di reazione azionate elettricamente sono utilizzate nei satelliti per cambiare la loro posizione. La ruota di reazione è collegata a un motore elettrico tramite un perno (rotore). Non appena il volano, azionato da questo motore, ruota intorno al proprio asse in una direzione, una coppia viene trasferita al satellite, che ora ruota nella direzione opposta e può quindi essere portato a un nuovo orientamento.
I sistemi precedenti presentano numerosi svantaggi
I rotori e le ruote di reazione dei sistemi precedenti sono solitamente montati su cuscinetti a sfera. Tuttavia, questi si usurano in tempi relativamente brevi. Per ridurre al minimo l'usura meccanica, questi azionamenti vengono fatti funzionare a soli 6.000 giri al minuto. Inoltre, devono essere conservati in un alloggiamento ermetico in un'atmosfera di azoto a bassa pressione per evitare l'ossidazione del materiale e la volatilizzazione del lubrificante.
Inoltre, le sfere di un cuscinetto a sfera non sono esattamente identiche. Questo crea forze che, insieme allo squilibrio del rotore, trasmettono piccole vibrazioni all'alloggiamento del satellite. Ciò compromette la precisione dei punti richiesta ai satelliti per consentire, ad esempio, le misurazioni laser o la comunicazione tra satelliti. Ci sono quindi molte ragioni per cui i ricercatori dell'ETH e di Fare all'ETH hanno progettato un nuovo sistema di propulsione elettrica a levitazione magnetica.
La propulsione fluttuante non si consuma
Il lavoro di sviluppo è iniziato alcuni anni fa con una tesi di dottorato al PES. I ricercatori hanno presentato un primo oggetto dimostrativo due anni fa in occasione di una conferenza specialistica in Giappone. Nel giugno di quest'anno hanno presentato il primo prototipo di un nuovo tipo di azionamento per satelliti miniaturizzati a un simposio internazionale.
Questo prototipo può funzionare a più di 150.000 giri al minuto, una velocità superiore a quella dei modelli precedenti, perché il rotore galleggia in un campo magnetico. L'elevata velocità di rotazione ha anche permesso ai ricercatori di ridurre significativamente le dimensioni del sistema di azionamento, in quanto ha lo stesso momento angolare di un azionamento più grande nonostante le dimensioni ridotte. Ciò lo rende interessante per l'uso in satelliti miniaturizzati delle dimensioni di una scatola di scarpe.
"Con il cuscinetto magnetico possiamo anche evitare le vibrazioni", afferma Tüyüz. Poiché questo sistema non ha bisogno di essere lubrificato, può funzionare anche nel vuoto, il che lo rende ideale per l'uso nello spazio. Il cuscinetto magnetico consente inoltre alla ruota di reazione di ruotare dolcemente e senza intoppi, in quanto non vi è alcuna resistenza di attrito all'avvio del sistema.
L'agenzia spaziale è interessata al sistema
"Il nuovo sistema che abbiamo sviluppato è complessivamente complesso", sottolinea Tüysüz. Per controllarlo e monitorarlo è necessaria una sofisticata elettronica di potenza. "Questo si inserisce perfettamente in un'altra competenza chiave del Power Electronic Systems Laboratory", spiega l'ingegnere elettrico. Tüysüz sta attualmente lavorando per sviluppare e migliorare ulteriormente l'elettronica di controllo del sistema.
Il sistema sviluppato dai ricercatori dell'ETH e dai colleghi di Celeroton è solo un prototipo che è stato utilizzato per dimostrarne il funzionamento. I risultati sono stati pubblicati scientificamente, ma non è ancora disponibile per l'acquisto. Tuttavia, ci sono già i primi interessati, soprattutto l'Agenzia Spaziale Europea ESA.
Questo progetto è stato sostenuto finanziariamente dalla Segreteria di Stato per la formazione la ricerca e l'innovazione (SEFRI).
Riferimenti
Kaufmann M, Tüysüz A, Kolar JW, Zwyssig C, Ruote di reazione a levitazione magnetica ad alta velocità per piccoli satelliti,Atti del 23° Simposio internazionale su elettronica di potenza, azionamenti elettrici, automazione e movimento (SPEEDAM 2016), Anacapri, Capri, Italia, 22-24 giugno 2016.
Zwyssig C, Baumgartner T, Kolar JW. Dimostratore di ruota di reazione a levitazione magnetica ad alta velocità. Atti della Conferenza internazionale sull'elettronica di potenza - ECCE Asia (IPEC 2014), Hiroshima, Giappone, 18-21 maggio 2014.