Analisi e modellazione di un ciclo Rankine a potassio per applicazioni di propulsione spaziale ad alta efficienza

Il lavoro di questa tesi riguarda l'analisi del funzionamento e delle prestazioni di un ciclo Rankine a potassio per applicazioni di propulsione spaziale ad alta efficienza. L’obiettivo principale della tesi è la valutazione di questo ciclo termodinamico come sistema di conversione energetica per la propulsione nelle missioni spaziali, nelle quali sono richiesti elevati valori di rendimenti, ridotti consumi di propellente e capacità di generare energia in modo costante e ogni volta che ce ne sia richiesta. Nella prima parte vengono richiamati i principi teorici del ciclo Rankine, descrivendone le principali trasformazioni termodinamiche e le differenze tra ciclo ideale e reale. Successivamente viene messo in luce l’utilizzo del potassio liquido come fluido di lavoro, mettendo in evidenza le sue proprietà favorevoli, tra cui l’elevata stabilità termica, la buona conducibilità e la possibilità di lavorare a temperature in caldaia molto elevate senza richiedere pressioni eccessive. La tesi sviluppa poi un modello del ciclo Rankine a potassio attraverso l’analisi degli stati termodinamici, dei bilanci energetici e dei parametri operativi principali. Viene inoltre effettuata un’analisi parametrica per studiare l’influenza di temperatura, pressione, perdite di carico e irreversibilità sul rendimento del sistema. Vengono poi proposte alcune possibili soluzioni di ottimizzazione, come il surriscaldamento del vapore, la rigenerazione termica e l’accoppiamento del ciclo con un reattore a fissione nucleare. I risultati ottenuti mostrano che il ciclo Rankine a potassio potrebbe rappresentare una buona soluzione per la produzione di energia e potenza nei sistemi di propulsione spaziale ad alta efficienza, grazie alla possibilità di raggiungere elevate temperature in caldaia, elevati valori di potenza prodotta in turbina e buoni rendimenti. Infine è opportuno sottolineare anche gli aspetti critici, legati principalmente ai materiali usati, alla massa di alcuni componenti dell'impianto e alle condizioni di microgravità presenti al di fuori dell'atmosfera.