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Una nuova era del volo spaziale? Promettenti progressi nella propulsione a razzo

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La US Defense Advanced Research Projects Agency (Darpa) ha recentemente incaricato tre società private, Blue Origin, Lockheed Martin e General Atomics, di sviluppare razzi termici a fissione nucleare da utilizzare in orbita lunare.

Un tale sviluppo potrebbe inaugurare una nuova era di voli spaziali. Detto questo, è solo una delle tante eccitanti possibilità per migliorare la propulsione a razzo. Eccone alcuni altri.

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Razzi chimici

I mezzi di propulsione standard per i veicoli spaziali utilizzano razzi chimici. Ci sono due tipi principali: a combustibile solido (come i propulsori a razzo a propellente solido dello Space Shuttle) e a combustibile liquido (come il Saturn V).

In entrambi i casi, una reazione chimica viene impiegata per produrre un gas molto caldo e altamente pressurizzato all’interno di una camera di combustione. L’ugello del motore fornisce l’unica uscita per questo gas che di conseguenza si espande, fornendo spinta.

La reazione chimica richiede un carburante, come l’idrogeno liquido o l’alluminio in polvere, e un ossidante (un agente che produce reazioni chimiche) come l’ossigeno. Ci sono molte altre variabili che alla fine determinano l’efficienza di un motore a razzo, e scienziati e ingegneri cercano sempre di ottenere più spinta ed efficienza del carburante da un determinato progetto.

Recentemente, la società privata SpaceX ha condotto voli di prova del prototipo Starship. Questo veicolo utilizza un “motore a combustione in fasi a flusso pieno (FFSC)“, il Raptor, che brucia metano per il carburante e ossigeno per l’ossidante. Tali progetti sono stati testati dai russi negli anni ’60 e dal governo degli Stati Uniti negli anni 2000, ma finora nessuno è volato nello spazio. I motori sono molto più efficienti nei consumi e possono generare un rapporto spinta / peso molto più elevato rispetto ai modelli tradizionali.

Razzi termici a fissione

Il nucleo di un atomo è costituito da particelle subatomiche chiamate protoni e neutroni. Questi determinano la massa di un elemento: più possiede protoni e neutroni, più è pesante. Alcuni nuclei atomici sono instabili e possono essere suddivisi in diversi nuclei più piccoli quando bombardati da neutroni. Questo è il processo di fissione nucleare e può rilasciare un’enorme quantità di energia. Quando i nuclei decadono, rilasciano altri neutroni che continuano a fessurare più atomi, producendo una reazione a catena.

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In un razzo termico a fissione nucleare, un gas propellente, come l’idrogeno, viene riscaldato dalla fissione nucleare ad alte temperature, creando un gas ad alta pressione all’interno della camera del reattore. Come con i razzi chimici, questo può sfuggire solo attraverso l’ugello del razzo, producendo anche in questo caso una spinta. 

Non si prevede che i razzi nucleari a fissione producano il tipo di spinta necessaria per sollevare grandi carichi utili dalla superficie della Terra nello spazio. Una volta nello spazio, tuttavia, sono molto più efficienti dei razzi chimici: per una data massa di propellente, possono accelerare un veicolo spaziale a velocità molto più elevate.

Immagine di un motore a razzo nucleare trasportato al banco di prova a Jackass Flats, Nevada, nel 1967.
Motore a razzo nucleare trasportato al banco di prova a Jackass Flats, Nevada, nel 1967. AEC-NASA

I razzi nucleari a fissione non sono mai stati lanciati nello spazio, ma sono stati testati a terra. Dovrebbero essere in grado di accorciare i tempi di volo tra la Terra e Marte da circa sette mesi a circa tre mesi per le future missioni con equipaggio. Ovvi inconvenienti, tuttavia, includono la produzione di scorie radioattive e la possibilità di un fallimento del lancio che potrebbe provocare lo spargimento di materiale radioattivo su una vasta area.

Una delle principali sfide ingegneristiche consiste nel miniaturizzare sufficientemente un reattore in modo che possa adattarsi a un veicolo spaziale. Esiste già un’industria fiorente nella produzione di reattori a fissione compatti, compreso lo sviluppo di un reattore a fissione più piccolo di un essere umano adulto.

Propulsione elettrica

Un punto fermo della fantascienza, i veri azionamenti ionici generano particelle cariche (ionizzazione), le accelerano utilizzando campi elettrici e quindi le azionano da un propulsore. Il propellente è un gas come lo xeno, un elemento abbastanza pesante che può essere facilmente caricato elettricamente.

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Immagine di un propulsore ionico della Nasa.
Propulsore ionico dello spazio profondo 1. Nasa

Quando gli atomi di xeno carichi accelerano fuori dal propulsore, trasferiscono una quantità molto piccola di moto (il prodotto di massa e velocità) al veicolo spaziale, fornendo una spinta delicata. Sebbene lenti, gli ioni sono tra i metodi di propulsione dei veicoli spaziali più efficienti in termini di consumo di carburante, quindi potrebbero portarci oltre. Le unità ioniche sono comunemente utilizzate per il controllo dell’assetto (cambiando la direzione verso cui è rivolto un veicolo spaziale) e sono state prese in considerazione per il deorbitazione dei vecchi satelliti .

Gli attuali motori ionici sono alimentati da celle solari, il che li rende effettivamente alimentati a energia solare e richiedono pochissimo propellente. Sono stati utilizzati nella missione SMART-1 dell’Esa sulla Luna e nella missione Bepi-Colombo in rotta verso Mercurio. La Nasa sta attualmente sviluppando un sistema di propulsione elettrica ad alta potenza per il Lunar Gateway, un avamposto che orbiterà attorno alla Luna.

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Vele solari

Mentre la propulsione di solito richiede un propellente di qualche tipo, la vela solare è un metodo più “verde” che si basa solo sulla luce del Sole stesso.

Immagine della vela solare usata su Ikaros.
Vela solare Ikaros. Pavel Hrdlička, Wikipedia , CC BY-SA

Le vele si basano sulla proprietà fisica di conservazione della quantità di moto. Sulla Terra, siamo abituati a vedere questo effetto come la pressione dinamica delle particelle d’aria che gonfiano una vela durante la navigazione, spingendo una nave in avanti. La luce è composta da fotoni, che non hanno massa, ma hanno quantità di moto che possono trasferire ad una vela. Poiché le energie dei singoli fotoni sono molto piccole, è necessaria una dimensione della vela estremamente grande per qualsiasi accelerazione apprezzabile.

Il guadagno di velocità dipenderà anche da quanto sei lontano dal Sole. Sulla Terra, la potenza ricevuta dalla luce solare è di circa 1,3 kW per metro quadrato. Se avessimo una vela delle dimensioni di un campo da calcio, ciò equivarrebbe a 9,3 MW, fornendo un’accelerazione molto bassa, anche a un oggetto di piccola massa.

Le vele solari sono state testate dalla navicella spaziale giapponese IKAROS che ha volato con successo su Venere e dalla Planetary Society con Lightsail-2, che è attualmente in orbita attorno alla Terra.

Un modo per migliorare l’efficienza e ridurre le dimensioni della vela è usare un laser che spinga in avanti il ​​veicolo spaziale. I laser producono fasci di fotoni molto intensi che possono essere diretti su una vela per fornire un’accelerazione molto più elevata, ma sarebbe necessario costruirli in orbita terrestre per evitare la perdita di intensità nell’atmosfera. I laser sono stati proposti anche come mezzo per deorbitare la spazzatura spaziale: la luce del laser può rallentare un pezzo di spazzatura orbitale, che poi cadrebbe dall’orbita e brucerebbe nell’atmosfera.

Lo sviluppo di razzi nucleari a fissione può eccitare alcuni e preoccupare altri. Tuttavia, poiché le compagnie private e le agenzie spaziali nazionali si stanno impegnando sempre di più per la presenza umana nello spazio, questi mezzi alternativi di propulsione diventeranno più tradizionali e avranno il potenziale per rivoluzionare la nostra nascente civiltà spaziale.

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