Il futuro della tecnologia di propulsione (parte prima)

Il più delle volte, i propulsori dei veicoli spaziali si basano su propellenti chimici solidi. Questi possono fornire molta spinta, ma la loro disponibilità limitata significa che devono essere usati con parsimonia e solo per correzioni di rotta e manovra

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Il futuro della tecnologia di propulsione
Il futuro della tecnologia di propulsione

Per più di sessantacinque anni, gli esseri umani hanno inviato carichi utili e squadre di esplorazione nello spazio utilizzando veicoli alimentati da motori a razzo.

Il concetto è tanto semplice quanto efficace, per non dire pericoloso. Un grande veicolo a forma di sigaro avvia un’esplosione controllata al suo interno. L’esplosione viene incanalata attraverso ugelli per generare la spinta e raggiungere la “velocità di fuga”, la velocità necessaria per liberarsi dalla gravità terrestre.

Sulla Terra, ciò significa raggiungere una velocità di 11,2 km/s, che richiede un’accelerazione significativa, nota come delta-v (Δv). Ci vuole molto propellente per farlo, e più pesante è il carico utile, più grande è il razzo e più propellente è necessario.

C’è da meravigliarsi del fatto che ingegneri aeronautici, pianificatori di missioni e futuristi sognano un giorno in cui i razzi convenzionali non saranno più necessari? Molte ricerche sono state condotte proprio su questa idea, alcune risalenti a prima dell’inizio dell’era spaziale.

Equazione del razzo

Non importa quanto lontano siamo arrivati ​​con la tecnologia, i razzi saranno sempre soggetti alla tirannia dell’equazione del razzo. La parte fondamentale della scienza aeronautica è comunemente attribuita allo scienziato missilistico russo-sovietico Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935), che la pubblicò nel 1903 (sebbene altri scienziati l’abbiano derivata indipendentemente prima e dopo).



Questa equazione descrive il moto dei veicoli che espellono parte della loro massa per generare spinta. Questo può essere rappresentato matematicamente come:

Δv = e ln ( 0 ÷ f ) = sp g o ln ( 0 ÷ f )

Dove delta (Δ) è la variazione di velocità ( v ), ve è la velocità di scarico, ln è il logaritmo naturale, sp è l’efficienza della spinta generata (impulso specifico), 0 è la forza di gravità, 0 è la massa iniziale (compreso il propellente), e f è la massa “secca” (senza propellente).

Questa equazione è stata utilizzata per quasi settant’anni per calcolare la massa a secco di un razzo e il carburante necessario per inviare carichi utili nello spazio.

Un circolo vizioso

Per dirla semplicemente, c’è un grande svantaggio in questa equazione. Dall’inizio dell’era spaziale, il grosso della massa di ogni razzo mai realizzato è stato costituita per lo più da propellente.

Per capire, considera i razzi più potenti del mondo: lo Space Launch System (SLS) della NASA, e la Starship+SuperHeavy di SpaceX .

Mentre l’SLS pesa 85.275 kg quando non è rifornito, la sua massa aumenta a 2,6 milioni di kg una volta rifornito e pronto per il lancio. Nel frattempo, il sistema di lancio di Starship ha una massa a secco di 77.110 kg contro una massa a pieno carico di ~ 5 milioni di kg.

Facendo i conti, ciò significa che oltre il 96% del peso totale dell’SLS è costituito da propellente. Ancora peggio, il peso della Starship più lanciatore completamente riforniti e impilati è vicino al 98,5% di propellente.

Ora considera i carichi utili che questi sistemi di lancio possono inviare in orbita bassa (LEO). Per l’SLS, sono 95.000 kg e da 90.718,5 a 136.078 kg per la Starship. Confrontando questo con il loro peso a pieno carico, vediamo che SLS e Starship possono distribuire solo il 3,65% e il 2,72% della loro massa a LEO (rispettivamente).

E tieni presente che questo è solo per l’invio di payload in orbita bassa. Per inviare merci ed equipaggio sulla Luna, su Marte o in qualsiasi altra parte del Sistema Solare, i razzi devono generare ancora più spinta, il che significa che i carichi utili devono essere inferiori. Quindi, per le missioni oltre la Terra, può essere caricata una frazione ancora più piccola della massa complessiva di un razzo.

In sostanza, maggiore è il carico utile, più grande deve essere il razzo. Più grande è il razzo, più massiccio diventa. Più diventa massiccio, più propellente ha bisogno per raggiungere lo spazio. Più propellente ha bisogno, più massiccio diventa. È un circolo vizioso e neanche troppo efficiente.

E questo vale anche per le missioni una volta che raggiungono lo spazio. Per garantire che la massa di un veicolo spaziale non sia troppo grande, i progettisti di veicoli spaziali e i pianificatori di missione limitano la quantità di propellenti chimici utilizzati.

Il più delle volte, i propulsori dei veicoli spaziali si basano su propellenti chimici solidi. Questi possono fornire molta spinta, ma la loro disponibilità limitata significa che devono essere usati con parsimonia e solo per correzioni di rotta e manovre.

Fortunatamente, ci sono alternative, alcune delle quali sono allo studio in questo momento.

Propulsione nucleare

Durante la prima era spaziale, gli scienziati hanno riconosciuto il potenziale per riunire l’energia nucleare e il volo spaziale. In un momento in cui la ricerca avanzata stava portando a progressi simultanei con bombe nucleari, reattori nucleari e razzi, gli scienziati videro applicazioni per l’uso pacifico dell’energia nucleare.

Tra il 1963 e il 1972, questi sforzi hanno dato i loro frutti con la creazione del Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA), un reattore nucleare a nucleo solido a fissione lenta progettato per missioni spaziali con equipaggio a lungo raggio verso la Luna o destinazioni interplanetarie.

anche l’Unione Sovietica ha lavorato su questa tecnologia, e ha prodotto l’RD-0410, un motore a razzo termico nucleare sviluppato dal 1965 fino agli anni ’80.

Questi reattori dovevano diventare parte di un sistema di propulsione nucleare-termica (NTP), in cui il calore generato dal lento decadimento degli isotopi radioattivi viene utilizzato per riscaldare idrogeno liquido o deuterio. Ciò provoca l’espansione del carburante, che viene diretto attraverso gli ugelli per generare spinta. Tra il 1972 e oggi sono stati proposti diversi concetti per NTP e la tecnologia rimane l’applicazione più ricercata.

Nel 2017, la NASA ha rinnovato i suoi tentativi di creare un sistema NTP attraverso il suo programma di sviluppo. Nel 2023, la NASA e la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) hanno annunciato uno sforzo congiunto per sviluppare un concetto NTP chiamato Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO). Ciò culminerà con una dimostrazione del DRACO in orbita, che dovrebbe avvenire entro l’inizio del 2027.

Dall’inizio del secolo, ci sono state anche proposte per la propulsione nucleare-elettrica (NEP). Questo metodo utilizza un reattore nucleare che genera energia elettrica per un propulsore a effetto Hall o motore a ioni, che ionizza un gas inerte (come lo xeno) e dirige le particelle cariche attraverso gli ugelli per produrre spinta.

Gli sforzi per realizzare un sistema NEP includevano il Progetto Prometheus, lanciato dalla NASA nel 2003. Questo progetto ha prodotto il Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO), una proposta per un veicolo spaziale NEP senza equipaggio che doveva esplorare tre delle più grandi lune di Giove: Europa, Ganimede e Callisto. La proposta è stata superata nel 2005 a favore del programma Constellation.

Durante questo stesso periodo, sono state fatte proposte per “concetti bimodali“, che si basano su entrambi i sistemi NTP e NEP. Sia NTP che NEP offrono molteplici vantaggi rispetto ai tradizionali razzi chimici. Tra questi, c’è una maggiore densità di energia, dove un reattore nucleare può estrarre molta più energia per chilo rispetto ai propellenti chimici.

Inoltre, NTP offre il doppio dell’efficienza dei razzi chimici, mentre NEP è da 5 a 10 volte più efficiente. Questa maggiore efficienza consente di produrre veicoli NTP o NEP con dimensioni da un terzo a metà rispetto ai veicoli convenzionali.

Ad Astra: il futuro della tecnologia di propulsione
Veicolo spaziale nucleare bimodale. – NASA

Il famoso ingegnere, tecnologo della NASA, esperto di voli spaziali e autore Les Johnson ha riassunto il potenziale della propulsione nucleare: “L’uso di un razzo a fissione per arrivare dallo spazio vicino alla Terra (non dal suolo allo spazio!) ridurrebbe il carico di propellente richiesto del 50%, il che è significativo poiché il propellente per una missione di andata e ritorno su Marte sarebbe il singolo elemento più pesante lanciato e i costi di lancio sono guidati dalla massa, inoltre ridurrebbe il tempo di viaggio e fornirebbe maggiore flessibilità nelle finestre di lancio, rendendo la missione più resistente a potenziali problemi tecnici e ritardi associati. La propulsione (a fissione) è un punto di svolta”.

Propulsione a fusione

Oltre alle applicazioni nucleari, sono possibili diversi metodi di propulsione utilizzando la tecnologia attuale. Questi includono la Nuclear Pulse Propulsion (NPP), un metodo ricercato attraverso Project Orion tra il 1958 e il 1963. Il progetto è stato supervisionato dal fisico Ted Taylor della General Atomics e dal famoso fisico Freeman Dyson (che ha teorizzato la sfera di Dyson).

Il concetto richiede un enorme veicolo spaziale caricato con centinaia (o migliaia) di ordigni nucleari. Questi vengono rilasciati periodicamente dalla sezione di poppa della navicella e fatti esplodere, creando onde d’urto che vengono assorbite da una piastra di pressione montata posteriormente.

Questa piastra trasforma le onde d’urto in spinta in avanti per il veicolo spaziale, accelerandolo a velocità relativistica (una velocità abbastanza grande da rendere la massa di un corpo maggiore della sua massa a riposo; è espressa come proporzione della velocità della luce).

Il progetto fu abbandonato nel 1963 dopo l’approvazione del Partial Ban Nuclear Test Treaty (PTBT), che bandiva i test di dispositivi nucleari nello spazio. Tuttavia, il concetto è riemerso nel corso degli anni ed è ancora considerato un potenziale mezzo per realizzare una missione interstellare.

Poco dopo, gli scienziati hanno iniziato a ricercare la propulsione a fusione attraverso il Progetto Daedalus, condotto tra il 1973 e il 1978 dalla British Interplanetary Society (BIS). Questo progetto è stato costruito sul lavoro del Progetto Orion e allo stesso modo prevedeva di raggiungere una velocità relativistica attraverso impulsi nucleari.

Tuttavia, ciò doveva essere ottenuto mediante fusione a confinamento interno, in cui fasci di elettroni bombardavano piccole palline di deuterio ed elio-3 in una camera di combustione. L’idea era quella di innescare reazioni simili a minuscole esplosioni termonucleari. Il plasma risultante verrebbe confinato e incanalato da un potente campo magnetico per produrre una potente spinta.

L’idea è stata ripresa nel 2009 da Icarus Interstellar, un’organizzazione internazionale composta da membri della British Interplanetary Society (BIS) e della Tau Zero Foundation (TZF), esperti volontari e scienziati dilettanti. Tra il 2009 e il 2019, hanno studiato una versione ridotta di Daedalus chiamata Project Icarus.

C’è anche il Bussard Ramjet, un concetto di fusione proposto nel 1960 dal fisico Robert W. Bussard e reso popolare nel famoso romanzo di fantascienza del 1970 Tau Zero di Poul Anderson.

In questo caso, un veicolo spaziale che genera potenti campi magnetici canalizzerebbe l’idrogeno dal mezzo interstellare (ISM) in una camera di confinamento magnetico, comprimendolo fino a quando non si verifica la fusione nucleare.

Sebbene promettenti, questi concetti sono proibitivi per i nostri standard odierni. Ciò include la costruzione, che deve essere eseguita nello spazio per evitare i costi estremi del lancio in orbita di tutti i componenti prefabbricati. In secondo luogo, il costo di produzione del combustibile sarebbe altrettanto proibitivo data la rarità del deuterio e dell’elio-3.

Il dottor Johnson ha detto: “La propulsione a fusione sarebbe veramente rivoluzionaria e aprirebbe il sistema solare all’esplorazione e all’insediamento umano. Prima di poter considerare seriamente un razzo a fusione, dobbiamo prima dimostrare che i reattori a fusione possono funzionare a terra e produrre costantemente molta più energia di quanta ne richiedano per avviare la reazione di fusione. Mentre vari sforzi ingegneristici sembrano essere vicini alla generazione di energia netta positiva, devono essere in grado di creare molta più energia di quella che consumano, un obiettivo che non è ancora vicino al raggiungimento. Poi c’è il problema di scala: l’intero reattore a fusione dovrebbe essere miniaturizzato per adattarsi a un veicolo spaziale”.

Tuttavia, la fisica alla base di queste proposte è valida e un giorno i concetti potrebbero essere realizzati, a condizione che l’assemblaggio nello spazio diventi possibile e che vengano procurate ulteriori fonti di deuterio ed elio-3.

Nel loro insieme, i metodi di propulsione che si basano sulla fissione nucleare o sulla fusione sono considerati il ​​futuro del volo spaziale. Tuttavia, questi concetti sono solo una parte di una costellazione di concetti molto più ampia.
Ad ogni svolta in fisica, vengono proposte nuove idee, vecchie idee vengono riconsiderate e vengono fatti nuovi tentativi per realizzarle.
Segue parte 2
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