Direct Fusion Drive: su Titano in due anni

Presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) è in fase di sviluppo il direct fusion drive. Questo sistema con le sue prestazioni diventerà fondamentale per raggiungere diversi obiettivi nel sistema solare

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Secondo gli scettici la tecnologia della fusione nucleare non verrà mai realizzata. Nonostante le difficoltà nel rendere disponibile questa fonte di energia praticamente inesauribile e pulita, essa viene già utilizzata in ambito militare sotto forma di bombe all’idrogeno innescate da una bomba atomica. Questa fonte di energia potrà in futuro rivelarsi utile in molti campi, soprattutto in quello spaziale.
Presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) è in fase di sviluppo il direct fusion drive (o DFD). Samuel Cohen a capo di un team di scienziati e ingegneri stanno lavorando al secondo prototipo chiamato Princeton field reversed configuration-2 ( PFRC-2). Il team spera di testare al più presto il sistema nello spazio al fine di farlo diventare il primo sistema di propulsione avanzato per navi spaziali e sonde robot.
Il Direct fusion Drive con le sue prestazioni diventerà fondamentale per raggiungere diversi obiettivi nel sistema solare. Uno di essi è il satellite di Saturno, Titano che sotto certi aspetti è simile al nostro pianeta, la Terra. Titano presenta un ciclo del metano come la Terra presenta un ciclo dell’acqua, per questo, secondo alcuni scienziati, potrebbe potenzialmente ospitare la vita. Grazie a questo sistema di propulsione innovativo Titano potrebbe essere raggiunto in poco meno di due anni, ad affermarlo, in uno studio, un team di ingegneri aerospaziali del dipartimento di fisica del New York City College of Technology, guidato dal professor Roman Kezerashvili e affiancato da due borsisti del Politecnico di Torino in Italia, Paolo Aime e Marco Gajeri.

Il propulsore, ancora in fase di sviluppo, fa ricorso a molti dei vantaggi offerti dalla fusione aneutronica, soprattutto il rapporto peso / potenza che risulta essere estremamente elevato. Il carburante per questo tipo di reazione contiene deuterio (isotopo dell’idrogeno) e elio-3 (isotopo dell’elio con due protoni e un solo neutrone). Anche utilizzando modeste quantità di carburante il sistema di propulsione Direct Fusion Drive può superare le prestazioni dell’attuale propulsione chimica o elettrica. Si stima che l’ impulso specifico del sistema, che è una misura dell’efficienza con cui un motore utilizza il carburante, sia paragonabile ai motori elettrici, i più efficienti attualmente disponibili. Inoltre, il motore DFD fornirebbe 4-5 N di spinta in modalità a bassa potenza, solo leggermente inferiore a quello che un razzo chimico produrrebbe per lunghi periodi di tempo. Essenzialmente il DFD somma l’eccellente impulso specifico dei sistemi di propulsione elettrica all’eccellente spinta dei razzi chimici, unendo il meglio di entrambi i sistemi di propulsione.
Per testare tutte queste specifiche serve un obiettivo e gli autori dello studio hanno rivolto la loro attenzione su Titano, sia per la sua lontananza, sia per l’abbondanza di molecole organiche che lo caratterizzano. Per tracciare la rotta migliore verso Titano, il team italiano ha collaborato con gli sviluppatori del DFD al PPPL. Il team italiano grazie ai dati sulle prestazioni dal motore di prova e i dati sugli allineamenti planetari hanno iniziato a lavorare su alcune meccaniche orbitali. L’analisi li ha portati a stabilire due tipi di profili di missione differenti. Il primo con spinta costante che veniva applicata solo all’inizio e alla fine del viaggio (chiamato profilo spinta-costa-spinta – TCT) e uno in cui la spinta era costante per tutta la durata del viaggio.
I due profili di missione nel sistema saturniano hanno comportato il cambio della direzione della spinta per garantire la frenata e l’ingresso in orbita del veicolo spaziale. La spinta costante consentirebbe un tempo di percorrenza di circa due anni, mentre il secondo profilo di missione porterebbe la durata a 2,6 anni. I due profili non avrebbero necessita di nessun assist gravitazionale. Una cosa importante da notare, afferma Marco Gajeri, l’autore dell’articolo, è che la finestra che rende brevi questi viaggi si apre intorno al 2046. Questi decenni danno al team di PPPL più tempo per migliorare il loro design attuale.
Ma una sonda dotata di un propulsore DFD una volta raggiunto il suo obiettivo dovrà superare altri ostacoli. Orbitare attorno a Saturno è relativamente semplice, tuttavia dovrà effettuare un cambio di orbita per arrivare attorno a Titano. La sonda dovrà affrontare il problema dei tre corpi, un problema di meccanica orbitale che implica la risoluzione delle orbite di tre diversi corpi orbitali (cioè la navicella, Saturno e Titano).
Una volta superato questo problema la sonda spaziale potrà iniziare a sfruttare un altro dei vantaggi del DFD: il propulsore può fornire energia direttamente ai sistemi della navicella stessa. La maggior parte delle missioni del sistema solare esterno si basa su generatori termici a radioisotopi ( RTG ) come fonte di energia. Ma un DFD è in realtà una fonte di energia oltre ad essere un propulsore. Se progettato correttamente, potrebbe fornire tutta la potenza di cui una navicella spaziale ha bisogno per tutta la missione.
La capacità del DFD di garantire una lunga durata alle missioni potrebbe essere molto utile. Gli autori dello studio che hanno analizzato la missione su Titano hanno inoltre esaminato ila fattibilità di una missione verso oggetti transnettuiani, che finora sono stati visitati solo da New Horizons, che ha impiegato però 9 anni per raggiungere Plutone. Inutile dire che un DFD ridurrebbe drasticamente il tempo necessario per compiere quel viaggio. E se dovesse diventare operativo nei prossimi 30 anni, potrebbe iniziare ad aprire a una vasta gamma di missioni esplorative dello spazio profondo.
Fonte: https://www.universetoday.com/148393/impatient-a-spacecraft-could-get-to-titan-in-only-2-years-using-a-direct-fusion-drive/