Metamaterials Lens for electric space propulsion

Electric propulsion represents a modern approach to space propulsion, using electrical energy to accelerate a propellant, ensuring high specific impulse and significant operational flexibility. Among these, electrodeless propulsion systems rely on electromagnetic waves to sustain plasma discharges, eliminating the need for electrode erosion and increasing system longevity. A key challenge in these systems is optimizing power coupling between the antenna and the plasma, as improved energy deposition in the core of the discharge enhances confinement and overall thruster performance. To address this challenge, this work explores the use of metasurfaces, artificially engineered structures composed of sub-wavelength periodic elements that exhibit tailored electromagnetic responses. These structures have been extensively studied for applications such as imaging, cloaking, and beam shaping, but their potential in plasma-based propulsion remains largely unexplored. In particular, the ability of metasurfaces to steer the electromagnetic waves in specific directions ensures that the power flow is directed toward a focal point, enhancing energy concentration within the plasma discharge. In this study, a metalens was designed to focus electromagnetic power in a magnetized plasma, leveraging the anisotropic properties of the medium, where the wavevector and Poynting vector are misaligned. The design process began with an approximation of the metalens as a sheet characterized by an equivalent tensorial susceptibility. Subsequently, numerical simulations were conducted using COMSOL Multiphysics to optimize the metalens at different levels. First, single-layer optimizations were performed to define fundamental design parameters. Then, individual elements were engineered to achieve the desired theoretical behavior. Finally, 3D design simulations were conducted on the complete metalens structure, validating its ability to effectively concentrate electromagnetic power. The results confirm that the proposed metalens successfully focuses energy at a predefined location within the plasma, demonstrating its potential for improving power coupling in electrodeless thrusters.

La propulsione elettrica rappresenta un approccio moderno alla propulsione spaziale, basato sull'impiego di energia elettrica per accelerare un propellente, garantendo un elevato impulso specifico e una significativa flessibilità operativa. Tra le varie tipologie, i sistemi di propulsione senza elettrodi sfruttano onde elettromagnetiche per sostenere la scarica di plasma, eliminando l'erosione degli elettrodi e migliorando la longevità del sistema. Una delle principali sfide in questi dispositivi è l'ottimizzazione dell'accoppiamento di potenza tra l'antenna e il plasma, poiché un'efficace deposizione di energia nel nucleo della camera di scarica ne migliora il confinamento e le prestazioni complessive del propulsore. Per affrontare questa problematica, questo lavoro esplora l'impiego delle metasuperfici, strutture artificialmente ingegnerizzate composte da elementi periodici sub-lunghezza d'onda, capaci di esibire risposte elettromagnetiche personalizzate. Sebbene ampiamente studiate in applicazioni quali imaging, cloaking e beam shaping, il loro utilizzo nel contesto della propulsione spaziale basata su plasma rimane ancora poco investigato. In particolare, la capacità delle metasuperfici di indirizzare le onde elettromagnetiche in direzioni specifiche consente di focalizzare il flusso di potenza verso un punto predefinito, incrementando la concentrazione energetica all'interno della camera di scarica. In questo studio, è stata progettata una metalente per la focalizzazione della potenza elettromagnetica in un plasma magnetizzato, sfruttando le proprietà anisotrope del mezzo, in cui il vettore d'onda e il vettore di Poynting risultano disallineati. Il processo di progettazione ha avuto inizio con la modellazione della metalente come una superficie caratterizzata da una suscettività tensoriale equivalente. Successivamente, sono state condotte simulazioni numeriche tramite COMSOL Multiphysics per ottimizzare la struttura a diversi livelli. In una prima fase, sono state eseguite ottimizzazioni su singoli strati al fine di determinare i parametri fondamentali di progetto. Successivamente, i singoli elementi sono stati progettati per ottenere il comportamento teorico desiderato. Infine, simulazioni tridimensionali dell'intera struttura della metalente hanno confermato la sua capacità di concentrare efficacemente la potenza elettromagnetica. I risultati ottenuti dimostrano che la metalente proposta consente di focalizzare l'energia in una posizione predefinita all'interno del plasma, evidenziando il suo potenziale nel migliorare l'accoppiamento di potenza nei propulsori senza elettrodi.