In un futuro non troppo lontano le astronavi che oggi utilizzano pesanti e dispendiosi sistemi di propulsione potranno sfruttare la propulsione al plasma per arrivare in tempi ragionevoli in ogni punto del sistema solare.
The Expanse è una serie di fantascienza ambientata in un futuro non lontanissimo del sistema solare, in cui l’uomo si è diffuso su Marte e nella cintura di astyeroidi tra Marte e Giove. Per spostarsi le astronavi utilizzano la propulsione al plasma.
Nella saga di Star Trek, invece le navi viaggiano all’interno di un vasto quadrante della galassia a velocità superiori a quelle della luce grazie ad uno speciale motore, che curva lo spazio davanti all’astronave per poi ridilatarlo alle su spalle, per percorrere le enormi distanze tra le stelle.
L’attuale tecnologia di propulsione spaziale
Purtroppo, per l’attuale tecnologia, il sistema solare è immenso, occorrono anni o anche decenni per percorrere distanze apprezzabili e i viaggi umani verso i pianeti in tempi ragionevoli sono ancora fuori dalla nostra portata.
In The Expanse, le navi spaziali utilizzano una propulsione sub-luce immaginaria chiamata The Epstein Drive. Non possediamo ancora quel tipo di propulsione, ma siamo sempre più vicini alla realizzazione di qualcosa di simile, dopo l’annuncio di un nuovo tipo di propulsione sub-luce teorica.
Questa nuova tecnica di propulsione al plasma si ispira ai reattori a fusione e all’incredibile potenza delle espulsioni di massa coronale solare. I motori a razzo utilizzati finora nell’esplorazione spaziale, hanno portato esseri umani sulla Luna, rover su Marte e Venere e sonde intorno a tutti gli altri pianeti, senza contare quelle che, esaurita la loro missione principale, hanno proseguito verso i confini del sistema solare.
Tuttavia, nonostante tutta la loro straordinaria potenza, i motori a razzo sono intrinsecamente inefficienti e ingombranti e non hanno l’efficienza della propulsione al plasma.
Per ottenere energia dal carburante per missili la maggior parte dell’astronave deve essere un enorme serbatoio. La massa di un razzo destinato a raggiungere Marte potrebbe essere composta fino al 78% di carburante. Per ridurre il peso, dobbiamo realizzare propulsori più efficienti che abbiano un impulso specifico significativo.
Ma cos’è l’impulso specifico? E’ la misura dell’efficienza del motore che ci dice in quanti secondi una data massa di propellente può accelerare se stessa nella gravità terrestre. Più secondi brucia il carburante, più efficiente è il motore. L’impulso specifico può anche essere espresso come la velocità della spinta dello scarico di un motore rispetto al razzo stesso.
Uno dei motori a razzo più efficienti mai costruiti è l’RS-25 – il motore principale del dismesso Space Shuttle, riciclato nel nuovo SLS presenta un impulso specifico di 453 secondi e una velocità di scarico di 4,4 km / s.
Per ampliare i confini dell’esplorazione spaziale, dobbiamo andare oltre i motori a razzo più efficienti. La prossima generazione di propulsori spaziali sembra che saranno i propulsori a ioni. I propulsori a ioni utilizzano campi elettromagnetici per accelerare le particelle cariche e fornire la spinta necessaria.
Come affermava Newton, ad ogni azione si ottiene una reazione uguale e contraria. Se una massa viene emessa in una direzione, il veicolo si sposta nella direzione opposta, non importa quale massa venga utilizzata, gas, ioni o altro.
Un propulsore a effetto Hall è un motore a ioni che è stato utilizzato con successo su veicoli spaziali, inclusi gli attuali satelliti SpaceX Starlink. A differenza dei razzi, i propulsori Hall possono raggiungere velocità di scarico di 10-80 km / s e impulsi specifici di 1000-8000 secondi.
Nonostante il balzo in avanti in termini di efficienza, questi motori producono una spinta di pochi Newton (un Newton è la forza necessaria per accelerare 1 kg a un metro al secondo ogni secondo). I propulsori ionici sono quindi ideali per piccoli veicoli spaziali robotici e satelliti, ma non per veicoli spaziali più grandi e pesanti o per astronavi con equipaggio.
Ecco il propulsore al plasma
La nuova speranza non è un propulsore ionico ma la propulsione al plasma ideata da Fatima Ebrahimi.
Il propulsore al plasma condivide alcune caratteristiche del propulsore ionico in quanto anch’esso utilizza campi elettrici e particelle cariche. I gas delle particelle caricate elettricamente sono conosciute come plasma, che è considerato il quarto stato della materia.
Il plasma caldo costituisce il 99% dell’Universo visibile che compone le stelle come il Sole. In esplosioni chiamate Coronal Mass Ejections (CME), il Sole emette miliardi di tonnellate di quel plasma nello spazio.
Il meccanismo fisico che catalizza le CME è chiamato riconnessione magnetica. Sulla superficie del Sole, il plasma viene incanalato lungo campi magnetici creando enormi anelli o “protuberanze” più grandi della Terra.
Le linee del campo si attorcigliano e si deformano sotto l’energia magnetica finché non si spezzano e si riconnettono con altre linee di campo. La riconnessione converte l’energia magnetica in energia cinetica e calore e accelera enormi quantità di plasma nello spazio a centinaia o addirittura migliaia di chilometri al secondo.
Un altro vantaggio del propulsore al plasma: può funzionare con molti tipi di gas.
Il processo di riconnessione magnetica della propulsione al plasma è più importante per la spinta totale rispetto al tipo o alla massa del gas utilizzato per generare plasmoidi. Quindi, un’astronave dotata di un propulsore di questo tipo potrebbe fare rifornimento nello spazio usando i gas trovati nelle rocce e negli asteroidi.
Il concetto di plasma drive di Ebrahimi è ispirato dal suo lavoro come fisica ricercatrice del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). Oggi i reattori nucleari che producono energia sono reattori a fissione che spaccano gli atomi di elementi pesanti come l’uranio per liberare energia. I reattori a fusione invece fondono insieme elementi più leggeri, un processo comune nei nuclei stellari.
Propulsione al plasma, i vantaggi della fusione nucleare
Ci sono chiari vantaggi nella fusione rispetto alla fissione. I reattori a fissione producono scorie nucleari radioattive che devono essere immagazzinate in modo sicuro per migliaia di anni.
I reattori a fusione potrebbero funzionare essenzialmente con l’idrogeno estratto dall’acqua, una fonte di combustibile praticamente inesauribile, che non crea prodotti di scarto pericolosi che devono essere interrati ed essere sfruttati per realizzare la propulsione al plasma.
Tuttavia, la sfida per i reattori a fusione è contenere il plasma surriscaldato.
Il plasma all’interno di un reattore a fusione può raggiungere i cento milioni di gradi o più, ed è necessaria potenza sia per riscaldarlo sia per generare i potenti campi magnetici necessari per contenere il plasma caldo. Reattori come il NSTX creano plasmoidi ad alta velocità, attraverso la riconnessione magnetica, che Ebrahimi ha osservato viaggiare all’interno del reattore a velocità superiori a 20 km / s.
Per questo ha pensato che i plasmoidi potrebbero essere utilizzati in un motore spaziale che faccia ricorso alla propulsione al plasma. In termini di propulsione spaziale, Ebrahimi sostiene che il prossimo passo sarà costruire un prototipo di motore al plasma che porti il suo progetto dalla simulazione alla realtà.
La fisica delle stelle potrebbe farci ottenere la propulsione al plasma e inoltre potrebbe alimentare il nostro mondo futuro, portarci in altri mondi e forse verso le stelle più vicine al sistema solare.
