Per gli umani arrivare su Marte e tornare indietro è piuttosto difficile. Insanamente difficile, in effetti. Molte sfide devono affrontare la NASA e altri aspiranti pionieri di Marte quando pianificano missioni sul pianeta rosso, ma la principale tra queste è la quantità di propellente necessaria.
Durante il programma Apollo, 50 anni fa, gli esseri umani andarono sulla Luna usando la propulsione chimica, vale a dire motori a razzo che bruciavano ossigeno liquido e idrogeno in una camera di combustione. Questo ha i suoi vantaggi, come dare la possibilità di avviare e arrestare rapidamente un motore, e la tecnologia era allora la più matura per i viaggi spaziali.
Da allora, sono state ideate alcune nuove tecniche di propulsione nello spazio. Ma nessuna è migliore o più veloce per gli esseri umani della propulsione chimica.
Il problema di Marte
Questo é un problema. La NASA ha un paio di progetti di base per far arrivare su Marte quattro o più astronauti, ma fare affidamento sulla propulsione chimica per avventurarsi oltre la Luna probabilmente non è una buona idea. Il motivo principale è che ci vuole un sacco di carburante per missili per inviare rifornimenti e astronauti su Marte.
Anche nello scenario più favorevole che si verifica ogni ogni 26 mesi, quando Marte e la Terra si trovano alla minima distanza, una missione da umana dalla Terra a Marte richiede ancora da 1.000 a 4.000 tonnellate di propellente.
Aggiornato alla sua configurazione Blocco 1B, il razzo Space Launch System della NASA avrà una capacità di carico di 105 tonnellate nell’orbita terrestre bassa. La NASA prevede di lanciare questo razzo una volta all’anno e il suo costo sarà probabilmente di circa 2 miliardi di dollari a volo. Quindi, per portare in orbita abbastanza carburante per arrivare su Marte sarebbero necessari almeno 10 lanci del razzo SLS, ovvero circa un decennio e 20 miliardi di dollari. Solo per il carburante.
In conclusione: se andremo su Marte, probabilmente dovremo pensare ad altri modi per farlo.
Verso il nucleare
Un nuovo rapporto delle Accademie nazionali di scienze, ingegneria e medicina offre alcune risposte su due di questi modi. Riunito su richiesta della NASA, un ampio comitato di esperti ha valutato la fattibilità di due sistemi di propulsione alternativi – nucleare termico ed elettrico nucleare – per una missione umana verso Marte da lanciare nel 2039.
“Uno dei punti principali del rapporto è che se vogliamo inviare esseri umani su Marte, e vogliamo farlo ripetutamente e in modo sostenibile, la propulsione spaziale nucleare è la strada migliore”, ha detto Bobby Braun, direttore per la scienza planetaria presso il Jet Propulsion Laboratory e co-presidente del comitato che ha scritto il rapporto, in un’intervista.
Al comitato non è stato chiesto di raccomandare una particolare tecnologia, ciascuna delle quali si basa su reazioni nucleari ma funziona in modo diverso. La propulsione termica nucleare (NTP) coinvolge un motore a razzo in cui un reattore nucleare sostituisce la camera di combustione e brucia l’idrogeno liquido come combustibile.
La propulsione elettrica nucleare (NEP) converte il calore di un reattore a fissione in energia elettrica, come una centrale elettrica sulla Terra, e quindi utilizza questa energia per produrre spinta accelerando un propellente ionizzato, come lo xeno.
“Se si guardano le raccomandazioni del comitato NEP NTP, abbiamo ritenuto che un programma aggressivo, costruito sul lavoro fondamentale che è stato compiuto di recente, potrebbe portarci lì”, ha detto Braun dell’obiettivo di Mars 2039. “Per NEP, abbiamo ritenuto che non sia chiaro se un programma del genere potesse portarci lì, ma non abbiamo concluso che non possa portarci lì”.
La propulsione nucleare richiede molto meno carburante rispetto alla propulsione chimica, spesso meno di 500 tonnellate metriche. Ciò sarebbe utile per arrivare su Marte facendosi precedere da diverse missioni preliminari per inviare attrezzature e rifornimenti sul pianeta rosso.
Il consumo di carburante della propulsione nucleare è anche più coerente con le opportunità di lancio offerte dalle orbite della Terra e di Marte. Durante alcune congiunzioni, che si verificano circa ogni 26 mesi, il propellente richiesto per completare una missione su Marte con propellenti chimici è così alto che semplicemente non è fattibile.
Cosa si può fare per arrivare su Marte?
Se la NASA intende utilizzare la propulsione nucleare nelle missioni umane durante gli anni 2030, dovrà iniziare immediatamente lo sviluppo tecnologico, afferma il rapporto. Finora, l’agenzia è stata piuttosto reticente a passare rapidamente alla propulsione nucleare.
Ciò può essere in parte dovuto al fatto che l’agenzia spaziale ha investito molto pesantemente nel razzo Space Launch System e nella propulsione chimica necessaria per il programma Artemis Moon.
Negli ultimi anni, quindi, la NASA non ha chiesto finanziamenti per lo sviluppo della propulsione nucleare. Il Congresso ha comunque stanziato denaro per questi fine. Nell’anno fiscale 2021, la NASA ha ricevuto 110 milioni di dollari per lo sviluppo della propulsione termica nucleare.
Secondo Braun, costerebbe sostanzialmente di più, almeno di un ordine di grandezza, per la NASA lavorare con il Dipartimento dell’Energia e altre parti del governo per sviluppare questa tecnologia e iniziare i voli cargo per Marte a metà degli anni ’30. Tuttavia, ha detto che questo è il tipo di progetto che la NASA sarebbe ben posizionata per intraprendere.
“È il tipo di sfida tecnologica per cui è stata costruita la NASA, ed è il tipo di sfida tecnologica che la nostra nazione si aspetta che la NASA sia in grado di superare”, ha detto Braun. “Tornando indietro al programma Apollo, questo è il genere di cose per cui è stata creata la NASA. Quindi, penso che potrebbero farlo“.
E la Starship?
E che dire del concetto di astronave che SpaceX sta costruendo per permettere agli umani di arrivare su Marte?
Il progetto cerca di affrontare il problema della necessità di una grande quantità di propellente chimico sviluppando un sistema di lancio riutilizzabile a basso costo.
Gli ingegneri di SpaceX sanno che ci vorrà molto carburante per raggiungere Marte, ma credono che il problema sia risolvibile se la Starship potrà essere costruita per volare spesso e per relativamente pochi soldi. Il concetto di base è lanciare un’astronave in orbita con serbatoi vuoti e trasferire il carburante lanciato da altre astronavi nell’orbita terrestre bassa prima che un singolo veicolo voli su Marte.
Secondo Braun, SpaceX sta sviluppando un piano per inviare umani su Marte con ipotesi diverse rispetto alla NASA. “Penso che ci sia una differenza fondamentale nelle ipotesi che la NASA tende a fare per il tipo di infrastruttura necessaria su Marte“, ha detto.
Questo non vuol dire che Starship non possa funzionare. Tuttavia, illustra la sfida di organizzare una missione su Marte con propulsione esclusivamente chimica. Per utilizzare la propulsione tradizionale, è necessario spingere i confini del riutilizzo e dei razzi per carichi pesanti fino a limiti estremi, che è esattamente ciò che SpaceX sta cercando di fare con il suo sistema di lancio completamente riutilizzabile.
