L’esplorazione spaziale è un campo in continua evoluzione. Mentre le agenzie spaziali di tutto il mondo puntano verso nuovi orizzonti, come la Luna e Marte, la ricerca di tecnologie più efficienti e sostenibili per i viaggi spaziali diventa sempre più cruciale.

In questo contesto, un team di ricercatori dell’Università della Virginia sta portando avanti studi rivoluzionari sui propulsori a propulsione elettrica (EP), promettendo di trasformare il modo in cui esploriamo lo Spazio.

Il cuore della propulsione elettrica: gli elettroni

Al centro di questa ricerca c’è lo studio del comportamento degli elettroni all’interno dei fasci di plasma generati dai propulsori EP. Questi piccoli ma potentissimi corpuscoli carichi giocano un ruolo fondamentale nel determinare l’efficienza e la durata di questi sistemi di propulsione elettrica.

Come ha spiegato il professor Chen Cui, dell’Università della Virginia: “Queste particelle possono essere piccole, ma il loro movimento e la loro energia svolgono un ruolo importante nel determinare la dinamica macroscopica del pennacchio emesso dal propulsore elettrico“. In altre parole, comprendere a fondo il comportamento degli elettroni è essenziale per ottimizzare l’interazione tra il propulsore e la navicella spaziale, garantendo così missioni più lunghe e sicure.

I propulsori a propulsione elettrica offrono numerosi vantaggi rispetto ai tradizionali sistemi di propulsione a razzo. Utilizzano l’energia elettrica per accelerare il propellente, offrendo una spinta più elevata per una data quantità di propellente, possono essere modulati per fornire una spinta variabile, consentendo manovre più precise e possono funzionare per periodi prolungati, rendendoli ideali per missioni di lunga durata.

Nonostante i loro vantaggi, i propulsori a propulsione elettrica EP presentano ancora alcune sfide. Il pennacchio di plasma emesso dal propulsore può interagire con la navicella spaziale stessa, causando potenziali danni. È necessario ottimizzare l’integrazione dei propulsori EP con i sistemi della navicella spaziale per garantire un funzionamento efficiente e sicuro. La ricerca condotta dal professor Cui e dal suo team rappresenta un passo fondamentale verso la risoluzione di queste sfide. Grazie a una migliore comprensione del comportamento degli elettroni nei fasci di plasma, sarà possibile progettare propulsori EP più efficienti e affidabili, aprendo la strada a missioni spaziali sempre più ambiziose.

Le tecnologie sviluppate nell’ambito della propulsione elettrica avranno un impatto significativo sul programma Artemis della NASA, volto a riportare l’uomo sulla Luna. Propulsori EP più efficienti consentiranno di ridurre la massa dei veicoli spaziali, aumentando la capacità di carico utile e aprendo nuove possibilità per l’esplorazione lunare e oltre.

Il ruolo del campo magnetico

La propulsione elettrica, una vera rivoluzione nel campo spaziale, funziona convertendo un gas nobile come lo xeno in ioni carichi. Questi ioni vengono poi accelerati da potenti campi elettrici, creando un fascio di plasma ad alta velocità che, espellendo materia, spinge la navicella spaziale in avanti.

A differenza dei razzi chimici, i sistemi di propulsione elettrica offrono un’efficienza senza precedenti, consentendo ai veicoli spaziali di percorrere distanze maggiori con quantità di propellente notevolmente inferiori. Alimentati da pannelli solari o piccoli reattori nucleari, questi sistemi sono ideali per missioni di lunga durata come Artemis, il programma della NASA volto a riportare l’uomo sulla Luna e, in futuro, su Marte.

Il pennacchio di plasma emesso dai propulsori elettrici, sebbene sia la forza motrice che spinge la navicella spaziale, può nascondere insidie. Alcune particelle cariche potrebbero infatti rifluire verso la navicella, danneggiando componenti delicati come i pannelli solari o le antenne. È come se il motore di un’auto emettesse particelle abrasive che potessero graffiare la carrozzeria. Per garantire missioni spaziali di successo, è fondamentale comprendere a fondo i meccanismi che governano il comportamento del pennacchio di plasma e sviluppare strategie per mitigare questi rischi.

Come ha sottolineato il professor Cui: ‘Per missioni che potrebbero durare anni, i propulsori EP devono funzionare in modo fluido e costante per lunghi periodi di tempo‘. La comprensione del pennacchio è quindi un passo cruciale per garantire la longevità e l’affidabilità di questi sistemi di propulsione elettrica.

La simulazione Vlasov è uno strumento fondamentale per studiare il comportamento del plasma nei propulsori elettrici. A differenza di altri metodi, la simulazione Vlasov è in grado di descrivere in modo accurato la distribuzione degli elettroni nello spazio delle fasi, senza introdurre approssimazioni o rumore numerico.

Grazie a questa precisione, Cui e il suo team possono identificare e analizzare fenomeni fisici complessi, come le instabilità del plasma e le interazioni tra gli elettroni e i campi elettromagnetici. Questa conoscenza approfondita è essenziale per ottimizzare le prestazioni dei propulsori elettrici e garantire il successo delle future missioni spaziali.

Il comportamento degli elettroni nel fascio di plasma è determinato da una combinazione di fattori, tra cui i campi elettrici e magnetici, le collisioni tra le particelle e gli effetti quantistici. Cui e il suo team hanno dimostrato che la distribuzione delle velocità degli elettroni non è isotropa, ovvero non è la stessa in tutte le direzioni. Questa anisotropia ha importanti implicazioni per la comprensione dei processi fisici che avvengono all’interno del plasma e per la progettazione di propulsori elettrici più efficienti.

Conclusioni

Cui e Wang hanno identificato un nuovo meccanismo di trasporto del calore all’interno dei fasci di plasma. Hanno scoperto che il calore scorre prevalentemente lungo la direzione del fascio, un fenomeno che non era stato completamente descritto dai modelli precedenti. Questa scoperta ha importanti implicazioni per la comprensione dei processi fisici che governano il comportamento del plasma e apre nuove strade per la progettazione di propulsori elettrici più efficienti.

Lo studio è stato pubblicato su Plasma Sources Science and Technology.

Sono parecchie le aziende private che stanno esaminando la possibilità di estrarre dalla Luna acqua e altre materie prime. Chiaramente, questo implica che queste aziende debbano disporre di una concessione che autorizzi l’estrazione lunare. Quali sono, però, le regole previste per lo sfruttamento minerario della Luna?

Semplicemente, non ne esistono.

Sono passati quasi 50 anni da quando Neil Armstrong è diventato il primo uomo a camminare sulla Luna. “Questo è un piccolo passo per un uomo“, disse l’astronauta statunitense, “un passo da gigante per l’umanità“.

Poco dopo, il suo collega Buzz Aldrin si unì a lui a passeggiare sulla superficie del Mare della Tranquillità e, dopo avere disceso i gradini del modulo lunare Aquila, guardò il paesaggio vuoto e disse: “Magnifica desolazione“.

Dalla missione dell’Apollo 11 dell’11 luglio 1969, pochissimi esseri umani hanno posto piede sul nostro satellite e nessuno dal 1972. Questa, però, è una situazione che potrebbe cambiare presto, con diverse aziende che si interessano all’esplorazione lunare e, possibilmente, all’estrazione di alcune materie prime, a cominciare dall’acqua e dall’Elio 3, per arrivare a risorse come l’oro, il platino e minerali di terre rare così tanto utilizzati nell’elettronica e sempre più rari sulla Terra.

All’inizio di questo mese, la Cina ha sbarcato una sonda, la Chang’e-4, sul lato lontano della Luna, ed è riuscita anche ad ottenere la geminazione di un seme di cotone in una biosfera artificiale, dimostrando che la bassa gravità lunare potrebbe non essere un problema per la coltivazione di ortaggi. Purtroppo il germoglio e gli altri semi sono morti a causa di un guasto elettrico che ha impedito il riscaldamento provocando la caduta della temperatura a bordo del modulo a -52 gradi. La Cina intende costituire al più presto una base sulla Luna per la ricerca.

Intanto, l’azienda giapponese iSpace ha in programma di costruire una “piattaforma di trasporto Terra-Luna” per effettuare prospezioni alla ricerca “dell’acqua” ai poli lunari.

E ci sono molte altre aziende private che intendono arrivare sulla Luna a scopi commerciali, siano minerari o turistici. Quindi, quali sono le regole che potrebbero garantire che la desolazione di Aldrin rimanga indisturbata? Oppure il satellite naturale della Terra è destinato ad essere l’obbiettivo di una corsa allo sfruttamento commerciale?

La potenziale proprietà dei corpi celesti è stata considerata un problema fin da quando è iniziata l’esplorazione spaziale durante la Guerra Fredda. Mentre la NASA stava pianificando le sue prime missioni lunari con equipaggio, l’ONU ratificò un trattato sullo Spazio Esterno, firmato nel 1967 da paesi come gli Stati Uniti, l’Unione Sovietica e il Regno Unito.

Nel trattato si afferma che: “Lo spazio esterno, compresa la Luna e altri corpi celesti, non è soggetto all’appropriazione nazionale per rivendicazione di sovranità, per mezzo dell’uso o dell’occupazione, o con qualsiasi altro mezzo“.

Joanne Wheeler, direttrice della società spaziale Alden Advisers, descrive il trattato come “la Magna Carta dello spazio“. Fa piantare una bandiera sulla Luna – come fecero Armstrong e i suoi successori – “priva di significato“, in quanto non conferisce alcun “diritto vincolante” a individui, società o paesi, aggiunge.

In termini pratici, la proprietà della terra e i diritti minerari per la Luna non erano ritenuti troppo importanti nel 1969. Ma oggi, con lo sviluppo della tecnologia e l’accesso allo spazio di soggetti privati, lo sfruttamento delle risorse lunari a fini di lucro è diventato una prospettiva più che probabile, e nemmeno troppo lontana.

Nel 1979 l’ONU produsse un accordo che disciplinava le attività degli Stati sulla Luna e altri corpi celesti, meglio noto come accordo sulla Luna. Questo accordo stabilisce che la Luna e gli altri corpi celesti del sistema solare devono essere usati per scopi pacifici, e che l’ONU deve sapere e approvare preventivamente dove e perché qualcuno pianifichi di costruire una base permanente.

L’accordo recita anche che “la Luna e le sue risorse naturali sono patrimonio comune dell’umanità“ e che dovrebbe essere istituito un regime internazionale “per governare lo sfruttamento di tali risorse quando tale sfruttamento stia per diventare fattibile“.

Il problema con l’accordo sulla Luna, tuttavia, è che solo 11 paesi l’hanno ratificato. La Francia è una, e l’India è un’altra. La nazioni maggiormente impegnate nello spazio, tra cui Cina, Stati Uniti e Russia non hanno mai firmato e ratificato l’accordo. E nemmeno il Regno Unito che pure non è, al momento, particolarmente impegnato in operazioni spaziali, anche se lo è almeno una azienda privata britannica con grandi ambizioni.

Ad ogni modo, Wheeler sostiene che, “non sarà così facile” far rispettare le regole delineate nei trattati.

La prof.ssa Joanne Irene Gabrynowicz, ex redattore capo del Journal of Space Law, concorda sul fatto che gli accordi internazionali non offrono “alcuna garanzia“. L’applicazione “è una miscela complessa di politica, economia e opinione pubblica“, aggiunge.

E i trattati esistenti, che negano la proprietà nazionale dei corpi celesti, hanno già dovuto affrontare una sfida negli ultimi anni.

Nel 2015, gli Stati Uniti hanno approvato la legge sulla competitività dei lanci spaziali a scopo commerciale, riconoscendo il diritto dei cittadini di possedere le risorse che riescono a estrarre dagli asteroidi. Non si applica esplicitamente alla Luna, ma il principio potrebbe essere esteso.

Eric Anderson, co-fondatore della società di esplorazione Planetary Resources, ha descritto questa legislazione come “il più grande riconoscimento dei diritti di proprietà nella storia“.

Nel 2017, il Lussemburgo ha approvato un proprio atto, fornendo lo stesso diritto di proprietà alle risorse trovate nello spazio. Il vice primo ministro Etienne Schneider ha dichiarato che questa legge renderà il suo paese “un pioniere europeo e leader in questo settore“.

La volontà di esplorare e fare soldi è lì, con i paesi apparentemente sempre più desiderosi di aiutare le aziende.

“Chiaramente l’estrazione mineraria, sia che si intenda importare i materiali sulla Terra, sia che si intenda fabbricare prodotti finiti localmente, è l’esatto opposto del non arrecare alcun danno“, afferma Helen Ntabeni, avvocato di Naledi Space Law and Policy.

Aggiunge che si potrebbe sostenere che gli Stati Uniti e il Lussemburgo si sono “tirati fuori” dalle disposizioni del Trattato sullo Spazio Esterno. “Sono piuttosto scettico sul fatto che le alte nozioni morali del mondo che utopizzavano l’esplorazione spaziale come uno sforzo comune dell’umanità saranno preservate“.

Insomma, stanno per cominciare le guerre commerciali nello spazio, guerre cui si uniranno, a quanto pare con entusiasmo, anche gli ambientalisti di ogni tipo.

La Parker solar probe della NASA ha segnato un nuovo capitolo nell’esplorazione spaziale, avvicinandosi più di qualsiasi altro oggetto costruito dall’uomo alla nostra stella. Questo straordinario evento, avvenuto il 24 dicembre 2024, ha aperto le porte a una comprensione più profonda dei processi che governano il Sole e il suo impatto sul Sistema Solare.

Parker solar probe: un tuffo nel cuore del Sole

Rompendo tutti i record precedenti, la sonda Parker ha sfrecciato attraverso l’atmosfera solare a una velocità vertiginosa di 430.000 miglia orarie, superando di gran lunga qualsiasi altro veicolo spaziale. Questa impresa audace ha permesso agli scienziati di raccogliere dati preziosi sull’ambiente estremo che circonda il Sole, un luogo caratterizzato da temperature elevatissime e intense radiazioni.

Otto giorni dopo l’avvicinamento record, un segnale rassicurante ha raggiunto la Terra. La Parker solar probe ha confermato di essere in perfetta salute, con tutti i sistemi e gli strumenti scientifici operativi. I dati raccolti durante il sorvolo solare sono stati trasmessi gradualmente alla Terra, rivelando dettagli inediti sulla struttura e il comportamento della corona solare.

Le prime analisi dei dati indicano che Parker ha attraversato regioni della corona solare caratterizzate da campi magnetici estremamente intensi e turbolenti. Queste osservazioni forniscono nuovi indizi sui meccanismi che accelerano il vento solare, un flusso continuo di particelle cariche emesse dal Sole che interagisce con il campo magnetico terrestre e può causare tempeste geomagnetiche.

La missione della Parker solar probe è ancora lunga. Nei prossimi anni, la sonda effettuerà numerosi altri passaggi ravvicinati al Sole, avvicinandosi sempre di più alla sua superficie. Ogni sorvolo fornirà nuovi dati preziosi per comprendere meglio i misteri della nostra stella e il suo impatto sul Sistema Solare.

Comprendere il Sole è fondamentale per proteggere la Terra e le nostre tecnologie dallo Spazio. Le tempeste solari possono danneggiare i satelliti, interrompere le comunicazioni e causare blackout su larga scala. Inoltre, lo studio del Sole ci aiuta a comprendere meglio l’evoluzione delle stelle e l’origine della vita nell’Universo.

La missione Parker Solar Probe è il frutto di una collaborazione internazionale che coinvolge scienziati e ingegneri di tutto il mondo. La NASA, in collaborazione con il Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, ha progettato e costruito questa straordinaria sonda, aprendo la strada a nuove scoperte e a una comprensione più profonda del nostro Universo.

Lo scudo termico della sonda Parker: un muro contro il fuoco solare

Per proteggere gli strumenti scientifici e l’elettronica della sonda dalle temperature estreme, gli ingegneri della NASA hanno dovuto ideare uno scudo termico all’avanguardia. Questo scudo non solo deve resistere al calore intenso, ma anche a un flusso costante di particelle cariche emesse dal Sole.

Lo scudo termico della Parker Solar Probe è composto principalmente da un materiale composito estremamente leggero e resistente al calore, costituito da fibre di carbonio immerse in una matrice di carbonio. Questo materiale è in grado di sopportare temperature molto elevate senza deformarsi o degradarsi e un materiale isolante a bassa densità, posizionato dietro lo strato di carbonio-carbonio, per fornire un ulteriore isolamento termico.

La forma dello scudo è concava, in modo da riflettere la maggior parte del calore radiante lontano dalla Parker solar probe. Lo spessore dello scudo varia in base alla posizione, essendo più spesso nella parte esposta direttamente al Sole. La progettazione dello scudo termico ha rappresentato una sfida ingegneristica senza precedenti.

Le temperature sulla superficie dello scudo possono raggiungere i 1.370 °C e il flusso di calore proveniente dal Sole è estremamente intenso, richiedendo un materiale altamente resistente. I materiali si espandono e si contraggono con il calore. È stato necessario progettare uno scudo che potesse resistere a questi cambiamenti senza comprometterne l’integrità strutturale. Lo scudo deve essere sufficientemente leggero per consentire alla sonda di accelerare e manovrare.

Sono state utilizzate sofisticate simulazioni al computer per prevedere il comportamento dello scudo in condizioni estreme. Sono stati condotti numerosi test a terra per verificare la resistenza del materiale e la funzionalità dello scudo. Anche se lo scudo termico protegge la maggior parte della Parker solar probe, alcuni componenti elettronici richiedono un raffreddamento attivo.

Lo scudo termico della Parker Solar Probe è un esempio straordinario di ingegneria e innovazione. Grazie a questo straordinario componente, la sonda è in grado di avvicinarsi al Sole più di qualsiasi altro oggetto costruito dall’uomo, aprendo nuove frontiere nella nostra comprensione della nostra stella.

Conclusioni

L’avvicinamento record della Parker solar probe al Sole rappresenta una pietra miliare nell’esplorazione spaziale. Grazie a questa missione, stiamo svelando i segreti della nostra stella e aprendo nuove frontiere nella conoscenza scientifica.