Per l’esplorazione del sistema solare sarà necessaria la propulsione nucleare

A 50 anni dalla conquista della Luna e nonostante i progressi tecnologici, i sistemi di propulsione attuali non sviluppano una velocità maggiore dei sistemi di propulsione usati in passato.

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La NASA e privati come Elon Musk vogliono realizzare un sogno, portare un equipaggio umano su Marte.
Purtroppo, a 50 anni dalla conquista della Luna e nonostante i progressi tecnologici, i sistemi di propulsione attuali non sviluppano una velocità maggiore dei sistemi di propulsione usati in passato.
Una nave spaziale veloce ha molti vantaggi e i razzi a propulsione nucleare sarebbero un modo per raggiungere velocità finali elevate. Questi sistemi di propulsione hanno dei benefici rispetto ai tradizionali razzi chimici o ai moderni razzi elettrici a energia solare, tuttavia negli ultimi 40 anni sono stati effettuati dagli USA solo otto lanci spaziali che trasportavano reattori nucleari.
Fortunatamente l’anno scorso le leggi che regolano i voli spaziali nucleari sono state modificate e sono già iniziati i lavori su questa prossima generazione di missili.
La prima fase di un viaggio nello spazio prevede l’utilizzo di potenti razzi in grado di sollevare in orbita una nave spaziale. Per fare questo si utilizzano razzi chimici che verranno utilizzati ancora per molto tempo in quanto, per ora, sono l’unico sistema di lancio in grado di vincere in maniera efficace la gravità del nostro pianeta.
Una volta raggiunta l’orbita terrestre alcune cose cambiano. Ora la nave spaziale ha bisogno di accelerare ulteriormente per sfuggire definitivamente alla gravità della Terra e qui entrano in gioco i sistemi a propulsione nucleare. Se vorremo mandare astronauti verso luoghi più lontani della Luna e forse di Marte, questi dovranno potersi spostare nello spazio molto più velocemente di quanto non sia possibile fare oggi. Il sistema solare è immenso e i pianeti sono lontani centinaia di milioni o miliardi di chilometri.
Esistono due ragioni per andare più veloci nello spazio, coprire grandi distanze garantendo più sicurezza e risparmiare tempo. Una missione umana verso Marte porterebbe l’equipaggio ad essere esposto a livelli molto elevati di radiazioni letali che possono causare gravi problemi di salute a lungo termine come il cancro e la sterilità.
Uno schermo contro le radiazioni può essere d’aiuto, ma con attuali tecnologie, sarebbe estremamente pesante e più lunga è la missione, più pesante dovrebbe essere la schermatura. Per evitare di dipendere da pesanti schermi gli astronauti devono arrivare a destinazione il più rapidamente possibile.
La velocità è importante. Ma perché i sistemi nucleari sono più veloci?

Sistemi odierni

Una volta che una nave spaziale è sfuggita alla presa della gravità terrestre, ci sono tre aspetti importanti da considerare quando si confronta un sistema di propulsione:
Spinta: la velocità con cui un sistema può accelerare una nave.
Efficienza di massa: quanta spinta può produrre un sistema per una determinata quantità di carburante.
Densità di energia: quanta energia può produrre una determinata quantità di carburante.
Oggi, i sistemi di propulsione più comuni in uso sono basati sulla propulsione chimica, ovvero i razzi a combustione, e i sistemi di propulsione elettrica a energia solare.
I sistemi a propulsione chimica forniscono molta spinta, ma non sono particolarmente efficienti e il carburante per missili non contiene molta energia. Il razzo Saturn V che indirizzò gli astronauti sulla traiettoria Lunare produsse 35 milioni di Newton di forza al decollo e trasportava 950.000 litri di carburante. La maggior parte del carburante fu utilizzata per mettere in orbita il veicolo spaziale; i limiti di questa tecnologia sono evidenti: serve molto combustibile per arrivare lontano.
I sistemi di propulsione elettrica generano una spinta per mezzo dell’elettricità prodotta dai pannelli solari. Il modo più comune per ottenere la spinta è quello di utilizzare un campo elettrico per accelerare gli ioni, come nel thruster di Hall. Questi dispositivi sono comunemente utilizzati per alimentare i satelliti e possono avere un’efficienza cinque volte superiore rispetto ai sistemi chimici. Tuttavia, producono molta meno spinta, circa tre Newton, abbastanza per accelerare un’auto da 0-60 mph in circa due ore e mezza. inoltre, la fonte di energia, il Sole, è essenzialmente infinita ma diventa meno utile quanto più si il veicolo si allontana da esso.
Uno dei motivi per cui i razzi a propulsione nucleare sono promettenti è perché offrono una grande densità di energia. Il combustibile all’uranio utilizzato nei reattori nucleari ha una densità di energia che è 4 milioni di volte superiore all’idrazina, un tipico propellente chimico per missili. È molto più facile contenere una piccola quantità di uranio nello spazio rispetto a centinaia di migliaia di litri di carburante.
E la spinta e l’efficienza di massa?

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Due opzioni per il nucleare

Gli ingegneri hanno progettato due tipi principali di sistemi nucleari per i viaggi nello spazio.
Il primo è chiamato propulsione termica nucleare. Questi sistemi sono molto potenti e hanno una efficienza moderata. Usano un piccolo reattore a fissione nucleare, simile a quelli installati nei sottomarini nucleari, per riscaldare un gas come l’idrogeno. Il gas viene quindi accelerato e spinto attraverso un ugello dove fornisce la spinta. Gli ingegneri della NASA stimano che una missione su Marte alimentata dalla propulsione termica nucleare sarebbe più breve del 20-25% rispetto a un viaggio su un razzo a propulsione chimica .
I sistemi a propulsione termica nucleare sono due volte più efficienti dei sistemi a propulsione chimica, ovvero generano il doppio della spinta con la stessa quantità di propellente e possono erogare 100.000 Newton. Questa è una forza sufficiente per accelerare un’auto da 0 a 60 mph in circa un quarto di secondo.
Il secondo sistema nucleare è la  propulsione elettrica nucleare. Non sono stati ancora costruiti sistemi elettrici nucleari, ma l’idea è quella di utilizzare un reattore a fissione ad alta potenza per generare elettricità che alimenterebbe un sistema di propulsione elettrico come un propulsore Hall. Questo tipo di propulsione sarebbe molto efficiente, circa tre volte più efficiente di un sistema a propulsione termica nucleare. Dal momento che il reattore nucleare potrebbe erogare molta potenza, diversi propulsori elettrici individuali potrebbero funzionare contemporaneamente per generare una buona quantità di spinta.
I sistemi elettrici nucleari sarebbero la scelta migliore per lunghe missioni perché non richiedono energia solare, hanno un’efficienza molto elevata e possono fornire una spinta relativamente elevata. Ma se i razzi elettrici nucleari sono estremamente promettenti, ci sono ancora molti problemi tecnici da risolvere prima che possano essere utilizzati.

Perché non ci sono ancora missili a propulsione nucleare?

I sistemi a propulsione termica nucleare sono stati studiati dagli anni ’60 ma mai utilizzati nello spazio. I regolamenti furono imposti negli Stati Uniti negli anni ’70 e richiedevano l’esame caso per caso e l’approvazione di qualsiasi progetto nucleare spaziale da parte di più agenzie governative e l’approvazione esplicita del presidente. Insieme alla mancanza di finanziamenti per la ricerca sui sistemi a energia nucleare, è stato impossibile un ulteriore miglioramento dei reattori nucleari per l’uso nello spazio.
Tutto è cambiato quando l’amministrazione Trump ha emesso un memorandum presidenziale nell’agosto 2019. Pur sostenendo la necessità di mantenere i lanci nucleari il più sicuri possibile, la nuova direttiva consente alle missioni nucleari con minori quantità di materiale nucleare di saltare il processo di approvazione multi-agenzia. Solo l’agenzia sponsor come la NASA, ad esempio, deve certificare che la missione soddisfa le raccomandazioni di sicurezza. Le missioni nucleari più grandi passerebbero attraverso il processo elencato prima.
Insieme a questa revisione delle normative, la NASA ha ricevuto 100 milioni di dollari nel budget 2019 per sviluppare la propulsione termica nucleare. DARPA sta inoltre sviluppando un sistema di propulsione termica nucleare spaziale per consentire operazioni di sicurezza nazionale oltre l’orbita terrestre.
Dopo 60 anni di stagnazione, è possibile che un razzo a propulsione nucleare si spingerà nello spazio entro un decennio.
Questo entusiasmante risultato aprirà a una nuova era per l’esplorazione spaziale. Gli esseri umani andranno su Marte e molti esperimenti scientifici potranno fare nuove scoperte in tutto il nostro sistema solare e oltre.
Fonte: Phys.org