Analisi di Sistemi Energetici per l'Esplorazione Spaziale basati su Ciclo Brayton-Joule Chiuso

Nel seguente elaborato, dopo una breve introduzione del ciclo Brayton-Joule ordinario, si propone l’analisi del ciclo termodinamico, in ambito spaziale, del ciclo Brayton-Joule chiuso. Viene discusso l’utilizzo del fluido di lavoro, una miscela di He-Xe con peso molecolare 40 g/mol, che in un circuito chiuso subisce operazioni di compressione, espansione, riscaldamento e raffreddamento. L’elaborato approfondisce due casi applicativi differenti, in funzione dello sviluppo scientifico e dei requisiti per le esplorazioni spaziali. In prima occasione viene presentato il ciclo che sfrutta l’energia termica solare, in cui il calore necessario deriva dal collettore solare: una struttura composta da un insieme di concentratori parabolici e un ricevitore. L’alternatore rotante, posto alla fine del ciclo, permette la conversione di energia meccanica in energia elettrica per l’alimentazione del sistema di bordo. A seguito di considerazioni teoriche si approfondisce l’importanza dello scambiatore di calore, analizzando le variazioni di rendimento, dimensioni e massa in funzione della sua presenza nel ciclo. Successivamente, l’analisi si sofferma sul ciclo con sorgente termica nucleare: un necessario riadattamento, a seguito dell’avanzamento delle missioni spaziali, per l’esplorazione dello spazio profondo. L’apporto termico viene fornito da un reattore, posto nella porzione anteriore della struttura, che sfrutta il diossido di Uranio (UO_2) per alimentare il ciclo. L’energia elettrica prodotta ha una duplice funzionalità: sostentamento del veicolo spaziale e propulsione elettrica nucleare (NEP) per la spinta e manovra del veicolo. Quest’ultima si scompone in tre sottosistemi operanti in perfetta sincronia: un sistema di alimentazione dello Xeno, un’unità di gestione della potenza (PPU) ed un sistema di propulsori ionici a griglia che espelle il flusso di ioni ad alta velocità.