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La propulsione al plasma ad alta potenza è diventata una scelta sempre più attraente come sistema di propulsione principale per la prossima generazione di veicoli spaziali, costruiti per esplorare il sistema solare e oltre. Grazie alle elevate velocità di scarico del gas ionizzato e alla spinta elevata resa possibile dalla lavorazione di potenza molto alta, la propulsione elettrica può oggi consentire la possibilità di esplorazioni a lunga distanza e missioni cargo. I catodi cavi ad alta corrente sono le sorgenti di elettroni ampiamente utilizzate nella propulsione elettrica e nella generazione di plasma in laboratorio. Questi dispositivi sfruttano l’emissione termoionica da un materiale con bassa funzione di lavoro per emettere elettroni e sostenere la corrente di scarica richiesta dal sistema propulsivo. Nonostante la loro applicazione in propulsori spaziali dal 1970, molti aspetti che riguardano le operazioni a catodo non sono perfettamente compresi. In particolare, la regione del plasma appena al di fuori del catodo ad alta corrente è caratterizzata dalla presenza di molte fluttuazioni, che possono sviluppare strutture coerenti di plasma che influenzano il funzionamento e la vita operativa del catodo. Inoltre, le precedenti campagne sperimentali hanno evidenziato la presenza di ioni energetici nella regione del plasma esterno, che incrementano direttamente l'erosione delle superfici esterne e colpiscono la vita del catodo.
Il progetto di ricerca qui descritto presenta un approccio sperimentale e teorico per studiare le oscillazioni e le instabilità del plasma all’esterno dei catodi cavi ad alta corrente sviluppati per applicazioni di propulsione elettrica nello spazio. In particolare, gli obiettivi di questo progetto comprendono la ricerca dell'insorgenza di instabilità di plasma in diverse condizioni di funzionamento, la loro evoluzione e l'eventuale saturazione, ed esplora la possibilità di una connessione tra la comparsa delle instabilità e la produzione di ioni energetici responsabili dello sputtering e dell'erosione superficiale.
La prima parte del progetto di ricerca è stata dedicata all’attività sperimentale. Questo studio caratterizza le proprietà di plasma di due catodi cavi di corrente medio-alta, il primo disegnato per 5-100 A di corrente, mentre il secondo 25-350. L'indagine sperimentale prevede l'utilizzo di un set di diagnostica elettrostatica e magnetica (intrusivo e non). Le proprietà del plasma sono state caratterizzate sia per la mappatura dello stato stazionario che per le oscillazioni dipendenti dal tempo. In particolare, i parametri del plasma (temperatura degli elettroni, densità del plasma e potenziale del plasma) sono stati misurati nella regione all’esterno e all'interno del catodo. La produzione di ioni energetici è stata valutata misurando la funzione di distribuzione dell'energia degli ioni vicino alla superficie esterna del catodo. Le informazioni sulle onde di plasma sono state raccolte misurando le fluttuazioni sia elettrostatiche che elettromagnetiche con l'insieme dei sistemi diagnostici impiegati nell'indagine. Questi dati forniscono una caratterizzazione spaziotemporale delle onde generate. Le proprietà del plasma sono state misurate facendo funzionare i catodi al variare di corrente di scarica, portata di propellente e campo magnetico applicato esternamente.
I risultati sperimentali di questa indagine rivelano la presenza di molte instabilità nella regione della plume del catodo a diverse condizioni operative. In particolare, questo plasma risulta essere influenzato da instabilità di ionizzazione che si sviluppano sotto forma di impulsi longitudinali quando il flusso di gas in entrata viene ridotto oltre una certa soglia, in assenza di campo magnetico esterno. La presenza di un campo magnetico assiale stabilizza questi modi longitudinali e favorisce invece lo sviluppo di fluttuazioni elicoidali con caratteristiche tipiche delle instabilità magnetoidrodinamici di tipo kink.
La seconda parte del progetto di ricerca ha riguardato l’analisi teorica della instabilità azimutale trovata, con l’obiettivo di identificare la relazione di dispersione di tale modo. L'occorrenza di questi modi, la frequenza e il numero d'onda sono stati studiati applicando il modello magnetoidrodinamico ideale. In particolare, un modello fenomenologico basato su MHD ideale è stato adattato alla regione del plasma a catodo cavo, per predire i risultati sperimentali considerando la condizione limite di un anodo cilindrico caratterizzato dalla presenza di una guaina di plasma e non perfettamente conduttivo. I risultati sperimentali delle proprietà del modo MHD a diverse correnti di scarica e portata massica mostrano caratteristiche aggiuntive che potrebbero essere qualitativamente d'accordo con modi MHD resistivi. L’analisi teorica di questi modi con l’applicazione del modello di MHD resistivo rivelano la presenza inaspettata di un'instabilità elettromagnetica con caratteristiche di tipo resistive kink nella plume di catodi ad alta corrente che operano con un campo magnetico applicato esternamente. Inoltre, le misurazioni sperimentali forniscono evidenze di un collegamento tra la dinamica degli ioni ad alta energia e l'instabilità resistiva, suggerendo la possibilità di una natura comune di tali fenomeni. Questi risultati illuminano la fisica delle instabilità del plasma nella plume dei catodi e la produzione di ioni energetici, facilitando l'applicazione di catodi cavi ad alta corrente in missioni di volo di lunga durata.