Motore AIR PLASMA: è finita l’era del combustibile fossile?

Si tratta di un motore a reazione il quale utilizza aria ionizzata dalle microonde, quindi plasma, pressurizzata e ad elevate  temperature per ottenere la  propulsione a getto. Il motore AIR PLASMA è un’idea molto “green”, poiché non comprende l’utilizzo di combustibile fossile per creare la spinta necessaria e quindi, non producendo CO2, sarebbe un ottimo alleato nella lotta contro il riscaldamento globale.

Non è la prima volta che si utilizza un motore “ionico”. Infatti già nel 2007 la sonda spaziale Dawn della NASA utilizzava un propulsore a reazione ricavando plasma tramite xeno. Anche se un tale motore produceva una spinta molto piccola, dopo mesi di costante accelerazione, il veicolo spaziale poteva raggiungere un’alta velocità. Unico difetto: non è utile in ambiente atmosferico. Per fare un esempio, alla massima accelerazione, il sistema di Dawn sulla Terra, impiegherebbe quattro giorni per accelerare da 0 a 90 Km / h.

Che cos’ è il plasma

Il plasma è un gas ionizzato costituito da una miscela quasi-neutra di elettroni liberi, ioni (atomici o molecolari) e specie neutre interagenti tra loro. Può essere considerato il quarto stato della materia. Esso nasce naturalmente a causa della ionizzazione di molecole ad alte temperature, come nel sole, o in campi elettrici elevati ,come nei fulmini. In laboratorio, il plasma può essere generato usando un arco elettrico, una cavità a microonde, un laser, una fiamma di fuoco o un ago ad alta tensione di scarica. Ha ampie applicazioni in molte aree, inclusa la lavorazione dei metalli.

L’esperimento AIR PLASMA

Il motore AIR PLASMA è stato realizzato dai ricercatori dell’università di Whuan.

Come mostra la figura il prototipo è costituito da un magnetron, un circolatore, una guida d’onda appiattita, un accenditore e un tubo al quarzo. Il magnetron è la sorgente a microonde, il circolatore viene utilizzato per assorbire le microonde riflesse e un sintonizzatore a tre stub è utilizzato per ottimizzare la potenza all’interno della camera di ionizzazione dell’aria. L’area piatta della guida d’onda è progettata per aumentare l’intensità del campo elettrico. Le microonde generate dal magnetron passano attraverso il circolatore, il sintonizzatore a tre stub e raggiungono la guida d’onda appiattita. In questa parte piatta viene inserito un tubo di quarzo, (noto per le sue proprietà meccaniche).L’accenditore viene utilizzato per accendere e generare un getto di plasma. Usando un compressore d’aria e un flussometro per generare e condizionare l’aria ad alta pressione nel tubo al quarzo si forma un vortice che mantiene stabile il getto di “air plasma” nel tubo.

La temperatura della fiamma può raggiungere più di 1000 ° C, quindi, un normale barometro non resisterebbe a una temperatura così elevata e non potrebbe essere utilizzato. Pertanto, in questo esperimento, i ricercatori hanno ideato un semplice strumento per misurare la pressione del getto del plasma caldo.

Hanno utilizzato una palla cava d’acciaio con un’apertura sulla parte superiore per l’inserimento di sferette molto più piccole per modificarne il peso complessivo. Mi spiego meglio:

I calcoli

Se il getto del motore AIR PLASMA è sufficientemente forte, può far vibrare la sfera cava. Per mantenerla ferma, è necessario aggiungere peso, definendo così un peso soglia minimo tale da mantenere ferma la palla. In tal modo si può calcolare la forza propulsiva in base a questo peso critico. Quindi conoscendo l’ area nota della sezione trasversale del tubo di quarzo è possibile determinare la pressione del getto. F è uguale al peso totale critico M per l’accelerazione di gravità g, che è 9,8 N / kg. Bisogna tener conto però che anche in assenza delle microonde, l’aria compressa fornisce da sola una certa propulsione e quindi per calcolare la pressione netta  generata esclusivamente dal getto di plasma, è necessario sottrarre il contributo F0 e quindi:

Fnet= F- F0= ( M- M0) g .

M0 è il peso critico della sfera d’acciaio ottenuto in assenza dell’irradiazione a microonde. La pressione complessiva P generata dal getto di plasma ad aria è uguale a F / πR2 , dove R è il diametro interno del tubo al quarzo. Sottraendo il contributo alla pressione generata esclusivamente dall’iniezione di aria, la pressione di propulsione netta del getto si ottiene come:

Pnet= ( F- F0) / πR2.

I risultati

Secondo i dati dell’università, alla potenza e alla portata del flusso d’aria di 600 W e 1,15 m3 / h, rispettivamente, la pressione del getto netto raggiunge 16000 N / m2. I risultati sperimentali dimostrano che la potenza delle microonde e il flusso d’aria hanno un’influenza significativa sulla propulsione a getto di plasma. A un flusso d’aria costante, una maggiore potenza delle microonde rende il campo elettrico all’interno della camera di ionizzazione molto più forte, portando a una ionizzazione più efficiente delle molecole di gas. Aumentando anche il flusso d’aria, la temperatura e la densità del plasma aumentano, con conseguente incremento di pressione della propulsione a getto.

Perché non si può parlare di un vero prototipo del motore AIR PLASMA

In base all’esperimento effettuato e supponendo un’estrapolazione lineare dei dati,  questo propulsore a reazione può generare una forza di circa 8500 N. Pertanto, se si utilizza una sorgente a microonde adeguata o una matrice di più fonti a microonde funzionanti in parallelo, in futuro è possibile costruire un propulsore a getto di plasma(motore AIR PLASMA) ad aria a microonde ad alte prestazioni per evitare le emissioni di carbonio ed eliminare l’ uso di combustibili fossili. Come affrontare l’impatto dell’alta temperatura sulle attrezzature e valutare la forza motrice sono sfide che richiedono ulteriori ricerche.