Nel viaggiare nello spazio, una delle difficoltà principali riscontrate dalle agenzie che si occupano di esplorazione spaziale è quella relativa ai tempi di percorrenza e quindi alla velocità che è possibile raggiungere con le nostre sonde e, un domani, con le astronavi che saranno destinate a Marte e agli altri oggetti interessanti del sistema solare.
Quando le tempistiche di viaggio devono misurarsi in anni, diventa difficile immaginare di coinvolgere direttamente esseri umani nell’esplorazione spaziale. Per come stanno le cose, gli unici corpi celesti alla nostra portata restano la Luna, Venere, dove però il nostro unico interesse è puramente scientifico e potremo soddisfarlo con sonde robot appositamente costruite, e, con parecchia programmazione e sforzo, forse Marte.
Fino ad oggi le nostre sonde destinate ai pianeti ed alle lune del sistema solare sono state basate su razzi chimici o ad una debole propulsione a ioni, utilizzate principalmente per piccole correzioni di rotta nei pressi degli oggetti da studiare.
Il grosso del consumo di carburante avviene con il lancio e la spinta necessaria a far uscire la sonda dal pozzo gravitazionale della Terra, per il resto ci si affida all’inerzia e si accelerano le sonde sfruttando la fionda gravitazionale del Sole o degli altri pianeti, pratica che, in effetti, garantisce una certa accelerazione ma che comporta tempi notevoli per raggiungere il Sole o i pianeti da utilizzare per l’effetto fionda e un notevole allungamento del percorso necessario a raggiungere l’obbiettivo.
Ora, secondo alcuni osservatori, ci avviciniamo alla possibilità di poter viaggiare ad oltre un milione di chilometri all’ora, che potremo raggiungere verso il 2050. L’Istituto della NASA per i concetti avanzati (NIAC) sta finanziando due concetti che sembrano offrire un notevole potenziale nel campo dei sistemi di propulsione.I nuovi dischi ionici potrebbero generare dieci volte di più in termini di impulso e livelli di potenza diecimila volte più alti. Sono in fase di sviluppo propulsori ad antimateria e a ioni in grado di generare moltissimi megawatt.
Quali sono i veicoli per viaggiare nello spazio più veloci che abbiamo realizzato?
La sonda Voyager 1 si muove a 61.000 km/h. Questa velocità è stata ottenuta tramite un’iniziale spinta con un razzo a propulsione chimica ma anche sfruttando la fionda gravitazionale. Le navicelle Juno, Helios I e Helios II hanno raggiunto velocità vicine ai 240 mila Km/h grazie alle spinte ottenute sfruttando i boost gravitazionali. La sonda Parker, che sta studiando il Sole, ha raggiunto i 680 mila Km/h grazie alla spinta fornita da diverse fionde gravitazionali fornite da Venere e dal Sole stesso.
L’accelerazione gravitazionale può aumentare la velocità di un veicolo spaziale di molte volte. Tuttavia, usando la gravità di Giove e del Sole per ottenere maggiore velocità, sprechiamo molto tempo ed i veicoli impiegano molti mesi per aggirare il Sole e ottenere velocità prima di iniziare la vera missione.
Sfruttamento ottimale dei razzi chimici
È stato calcolato che un’astronave come la starship di SpaceX, utilizzando i razzi del booster superheavy per il lancio e facendo rifornimento di carburante in orbita, potrebbe viaggiare nello spazio verso Marte in tempi sorprendentemente buoni.
Effettuando più rifornimenti la Starship potrebbe massimizzare la sua velocità. Per poterlo fare, ovviamente, sarebbe necessario piazzare con precisione diverse starship configurate come tank, delle vere e proprie stazioni di servizio spaziali, lungo la rotta verso Marte.
Una Starship di SpaceX completamente alimentata e rifornita 4 o 5 volte durante il viaggio potrebbe ridurre il tempo di percorrenza tra la Terra e Marte nel momento di massimo avvicinamento tra i due pianeti, a soli 40 giorni e potrebbe utilizzare un’orbita parabolica invece del trasferimento alla Hohmann.
Le missioni spaziali inviate su Marte fino ad oggi sono state realizzate con piccole navette lanciate dalla Terra, utilizzando, quindi, la maggior parte del carburante per sfuggire alla gravità della Terra. Lo stadio finale, contenendo la sonda o i lander e rover da far scendere sulla superficie del pianeta rosso sono stati costretti a viaggiare nello spazio a velocità da lumaca, mettendoci dai sei ai nove mesi per coprire la distanza tra la Terra e Marte.
Rifornendo la Starship in orbita, e poi durante il percorso, sarebbe possibile eseguire una missione spaziale a propulsione chimica con 10,0 chilometri al secondo di delta-V. Un valore circa 100 cento volte più grande rispetto alle precedenti missioni Terra-Marte e tre volte più veloce.
SpaceX e la NASA attualmente hanno in corso studi congiunti per realizzare il rifornimento in orbita della Starship in configurazione lander lunare che verrà inviata in orbita lunare ad attendere gli astronauti che vi giungeranno a bordo della capsula Orion lanciata dal sistema SLS. Una volta che saranno in orbita lunare gli astronauti potranno scendere sul nostro satellite dopo essersi trasferiti sulla Starship appositamente configurata per questa operazione.
Confronto tra i vari sistemi di propulsione
Di seguito, un confronto tra i vari sistemi di propulsione per viaggiare nello spazio.
- Space Shuttle Solid Rocket Booster: 250 ISP, 2.500 metri al secondo.
- Idrogeno liquido-ossigeno liquido: 450 ISP, 4.400 metri al secondo.
- Propulsore ionico: 3000 ISP, 29.000 metri al secondo.
- Nuova unità agli ioni di litio: 50000 ISP, 480.000 metri al secondo.
- Fusione catalizzata Positron Dynamics: 100000 ISP, 980.000 metri al secondo.
- Fusione catalizzata avanzata: 1000000 ISP, 9.800.000 metri al secondo.
I nuovi sistemi di propulsione avanzata attualmente allo studio potrebbero permettere di andare da venti a cinquanta volte più veloce rispetto ai razzi chimici e ai propulsori ionici esistenti.
Propulsione avanzata: Multi-megawatt agli ioni di litio
Il JPL (Jet Propulsion Lab) testerà un propulsore agli ioni di litio 50000 ISP entro 4 mesi. Questo fa parte di uno studio NIAC di fase 2 della NASA per utilizzare i laser per trasmettere 10 megawatt di potenza ai nuovi convertitori di ioni.
Non sono molto noti i recenti progressi con i laser più potenti. L’esercito americano sta sviluppando matrici di laser in grado di produrre 100 kilowatt entro i prossimi 2 anni. I militari dovrebbero avere matrici laser da un megawatt intorno al 2025.
Le unità a ioni di litio con raggio laser sono dieci volte più veloci di qualsiasi unità a ioni precedente. Un veicolo spaziale con questo sistema impiegherebbe meno di un anno per arrivare a Plutone.
Il JPL sta costruendo e testando i vari componenti di questo sistema. Si stanno già assemblando la vela e le unità ioniche. La parte difficile saranno i laser phased array.
Ad oggi si sta aumentando la tensione di prova fino a 6000 volt, che permette di pilotare direttamente i propulsori agli ioni di litio. La trasmissione diretta permetterebbe di eliminare molta elettronica pesante che ucciderebbe le prestazioni.
La densità di potenza sarà cento volte superiore alla spinta che si otterrebbe sfruttando il vento solare. Utilizzando una lunghezza d’onda del laser di 300 nanometri anziché 1063 nanometri si potranno ridurre le dimensioni del sistema.
Al momento, l’unità agli ioni di litio multi-megawatt presenta molti problemi tecnici, tuttavia, un progetto ben finanziato potrebbe avere successo prima del 2040.
Propulsione avanzata: Positron Dynamics – Positron Catalyzed Fusion Drive
Questo tipo di propulsione per viaggiare nello spazio potrebbe presentare problemi per creare e stoccare l’antimateria ma sembra che si possano evitare utilizzando il sistema Positron Dynamics. Gli isotopi di Krypton sono usati per generare positroni caldi. Un numero maggiore di isotopi potrebbero essere prodotti usando reattori di produzione di neutroni. Questo evita il problema della creazione di antimateria.
L’antimateria non deve essere immagazzinata, e questo è ottimo perché, ad oggi, non sappiamo come conservare l’antimateria. I positoni vengono creati e quindi diretti subito verso un processo che produce propulsione a fusione. Questo risolve anche il problema dell’uso dell’antimateria per generare la propulsione.
Positron Dynamics rallenta i positroni che vengono generati attraverso un piccolo dispositivo di moderazione. Per arrivare a questo risultato, vengono usati diversi strati di pellicola di carburo di silicio per estrarre i singoli positroni. Un campo elettrico, poi, fa scivolare le particelle sulla superficie di ogni strato dove possono raffreddarsi. I positroni catalizzano le reazioni di fusione in un denso blocco di deuterio.
Questo produce propulsione.
insomma, viaggiare nello spazio è una questione complicata che difficilmente risolveremo finché dovremo affidarci ai razzi chimici. Possiamo però sperare che nuove tecnologie, inclusa quella nucleare, possano, in tempi non troppo lontani, schiuderci la via delle stelle.
