I LIQUIDI IONICI
3.1 Descrizione generale
In generale un liquido ionico consiste in un liquido formato unicamente di ioni. Tuttavia, il termine include un’ulteriore specifica caratteristica che ne consente la distinzione dalla classica definizione di sali fusi: mentre un sale fuso mostra generalmente un elevato punto di fusione e un’elevata viscosità i liquidi ionici sono sali liquidi a bassa temperatura (T<100 °C) ed hanno una relativamente bassa viscosità. Per convenzione, oggi si indicano con il termine liquidi ionici (IL) i sali fusi a temperature inferiori a 100 °C e con RTILs i sali già fusi a temperatura ambiente.
Il primo ad essere sintetizzato pare sia stato il nitrato di etilammonio Et3NHNO3,
descritto per la prima volta nel 1914; da quella scoperta, vista la grandissima versatilità di questi composti e la semplicità nel variare profondamente le loro caratteristiche fisiche agendo sulla chimica dell’anione o del catione che lo compongono[6], sono stati condotti numerosi studi ed un cifra sempre crescente di
pubblicazioni sono dedicate a questa categoria.
I liquidi ionici sono una valida alternativa all’utilizzo di un metallo liquido a scopi propulsivi in motori FEEP: essendo composti esclusivamente da ioni debolmente legati, data la loro voluminosità e la particolare asimmetria del catione, è possibile accelerarli con l’ausilio di un campo elettrico e
Alimentazione del propellente per propulsore FEEP a liquidi ionici: proposte e prove inerenti la pompa magnetoidrodinamica
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ottenere una spinta. Il particolare più interessante sta nella possibilità di estrarre ioni di entrambe le polarità semplicemente invertendo il potenziale applicato agli elettrodi. Questo inoltre rende inutile il catodo esterno, presente in tutti i propulsori che accelerano solo ioni positivi (ad esempio Cs+), che avrebbe dovuto provvedere a
cedere al fascio in uscita gli elettroni accumulati durante la fase di estrazione; situazione che non si presenta nel caso di lavoro in polarità alternata ciclicamente dove la carica accumulata durante il primo semi-periodo viene ceduta al liquido durante quello successivo.
Queste sostanze sono inoltre stabili e non tossiche riducendo quindi i costi e i rischi legati all’uso di metalli liquidi, più difficili da produrre e gestire.
3.2 Proprietà chimico-fisiche
Le caratteristiche che un liquido ionico deve possedere per un funzionamento efficiente dal punto di vista propulsivo sono:
un’elevata massa molecolare per ottenere valori di spinta apprezzabili senza una portata eccessiva,
un’alta conducibilità elettrica per favorire il passaggio di corrente al suo interno,
una bassa temperatura di fusione,
un’elevata densità per minimizzare l’ingombro del serbatoio
un basso coefficiente di viscosità per facilitare il moto al’interno del meato.
una bassa tensione superficiale per favorire l’instabilizzazione necessaria all’emissione.
La massa atomica della sostanza deve essere alta, visto che essa influisce sulla massima spinta disponibile; in effetti, dall’equazione, generalmente valida per tutti i propulsori elettrostatici, del bilancio di energia potenziale e cinetica degli ioni durante la fase accelerativa si ha:
Capitolo 3: I liquidi ionici
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Il valore di massa molecolare nei liquidi ionici varia dai 60 amu ai 600 amu, valori importanti se messi a confronto con quello del cesio, 133amu. Uno sconveniente è rappresentato però dalla ripartizione diversa di questa fra anione e catione: il primo possiede una massa maggiore rispetto al secondo, dando un inconveniente differenza tra i valori di spinta nel caso di lavoro in polarità alternata.
Per quanto riguarda la temperatura di fusione, il propellente deve fondere ad una temperatura facilmente raggiungibile dai sistemi di immagazzinamento, d’alimentazione e di emissione senza una spesa eccessiva di potenza. Il range di temperature di fusione dei RTIL che va dai -100 ai +100°C.
La conducibilità elettrica è un parametro di fondamentale importanza in quanto descrive intuitivamente la facilità con cui una carica può muoversi all’interno del fluido, condizione fondamentale considerando il passaggio di corrente all’interno del liquido durante l’emissione e la mobilità delle particelle estremamente compromessa nel meato per la resistenza offerta dalle forze viscose che si vengono a creare. Il propellente usato per un FEEP deve possedere una buona conducibilità per facilitare lo scambio di elettroni e il diffondere degli ioni di una data polarità tra la porzione di liquido dalla quale vengono emessi, il pelo libero che si affaccia sull’elettrodo acceleratore, e il restante fluido a monte.
Il propellente deve avere un’elevata capacità di fluire all’interno del sistema d’alimentazione, di insinuarsi in fessure capillari e di mantenere la pellicola di liquido necessaria per garantire l’emissione. Esso dunque deve bagnare bene i materiali di cui sono composti il sistema di alimentazione e l’emettitore, e deve sussistere la minima interazione chimica tra questi materiali ed il propellente stesso (cioè deve essere minima la tendenza a formare leghe o composti). Nello stesso tempo, siccome nella propulsione ad emissione di campo l’emissione è dovuta proprio all’instabilizzazione della superficie del liquido soggetta ad intensi campi elettrici, ad un aumento della tensione superficiale sarà necessario un campo elettrico maggiore.
Il potenziale di elettrolisi, ovvero quel valore di voltaggio che una volta raggiunto si ha l’innesco della reazione, è un parametro fondamentale, sia per il funzionamento del motore (in polarità continua), che per il dimensionamento della pompa magnetoidrodinamica; è importante che questo valore sia il più alto possibile. Di questo valore si parlerà in maniera approfondita nel capitolo 7.
Il liquido ionico utilizzato nelle attività sperimentali è l’EMI-BF4 che d oggi
rappresenta il miglior compromesso tra i liquidi ionici dal punto di vista propulsivo. I parametri fisici principali sono indicati nella seguente tabella.
Alimentazione del propellente per propulsore FEEP a liquidi ionici: proposte e prove inerenti la pompa magnetoidrodinamica
24 Densità Temperatura di fusione (0C) Massa molecola re (amu) Mass a anion e (amu) Massa cation e (amu) Conducibili tà elettrica (S /m) Tensione superficia le (N /m) Viscosi tà (Pa s) 1.34 15 197.97 86.80 5 111.16 5 1.4 0.05 0.0665
