Propulsori a fusione magnetica per Marte

I propulsori a fusione magnetica applicherebbero campi magnetici alle particelle di plasma, un gas caricato elettricamente noto anche come "quarto stato della materia"

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Propulsori a fusione magnetica potrebbe portare gli uomini su Marte molto più velocemente degli attuali razzi chimici.

La proposta è arrivata da un fisico del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE).

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I propulsori a fusione magnetica applicherebbero campi magnetici alle particelle di plasma, un gas caricato elettricamente noto anche come “quarto stato della materia”.

Le particelle cariche verrebbero accelerate ed espulse nella parte posteriore di un razzo e, a causa della conservazione della quantità di moto, spingerebbero in avanti l’astronave. 

Gli attuali propulsori al plasma, testati nello spazio, utilizzano i campi elettrici per accelerare le particelle.

I propulsori a fusione magnetica accelererebbero le particelle usando la riconnessione magnetica, un processo che ha luogo sulla superficie del Sole e delle stelle, dove i campi magnetici convergono, si separano, e si riuniscono liberando grandi quantità di energia.

Questo processo avviene anche all’interno di dispositivi di fusione a forma di ciambella noti come tokamaks che in futuro, si spera, riusciranno a fornire energia pulita e illimitata al genere umano.

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“Sto preparando questo concetto da un po’”, ha spiegato Fatima Ebrahimi, Fisica del PPPL, autrice del documento che spiega l’idea nel Journal of Plasma Physics

“Ho avuto l’idea nel 2017 mentre ero seduto su un ponte e pensavo alle somiglianze tra lo scarico di un’auto e le particelle di scarico ad alta velocità create dal National Spherical Torus Experiment (NSTX) del PPPL, il precursore dell’attuale impianto di fusione di punta del laboratorio.

“Durante il suo funzionamento, il reattore produce bolle magnetiche chiamate plasmoidi che si muovono a circa 20 chilometri al secondo”.

Propulsori a fusione magnetica: il potere del Sole

I propulsori a fusione magnetica prendono spunto dalle reazioni di fusione nucleare che avvengono nelle stelle e nel nostro Sole.

Questo processo combina elementi leggeri sotto forma di plasma, lo stato caldo e carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici che rappresenta il 99% dell’universo visibile, per generare enormi quantità di energia. 

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Gli scienziati stanno cercando di replicare la fusione utilizzando diverse macchine che simulano il funzionamento del cuore di una stella per garantire una fonte di energia inesauribile all’umanità.

I propulsori al plasma oggi in uso utilizzano campi elettrici per accelerare le particelle e generare una spinta. L’impulso specifico che producono è però molto basso.

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Le simulazioni al computer effettuate al PPPL e al National Energy Research Scientific Computing Center, un DOE Office of Science User Facility del Lawrence Berkeley National Laboratory di Berkeley, in California, hanno dimostrato che i propulsori a fusione magnetica possono scaricare particelle a centinaia di chilometri al secondo, una velocità dieci volte più elevata dei propulsori chimici attualmente utilizzati.

I propulsori a fusione magnetica raggiungono una velocità tale che un’astronave potrebbe raggiungere i pianeti esterni in una manciata di mesi.

Come ha spiegato Ebrahimi:

“I viaggi a lunga distanza richiedono mesi o anni perché l’impulso specifico dei motori chimici è molto basso, quindi il velivolo impiega un po’ di tempo per prendere velocità”.

“Ma se realizziamo propulsori basati sulla riconnessione magnetica, potremmo plausibilmente completare missioni a lunga distanza in un periodo di tempo più breve”.

Esistono tre differenze principali tra i propulsori a fusione magnetica di Ebrahimi e gli altri dispositivi. 

Il primo è che la modifica della forza dei campi magnetici può aumentare o diminuire la quantità di spinta prodotta. “Utilizzando più elettromagneti e più campi magnetici, è possibile in effetti regolare la velocità”, ha detto Ebrahimi.

In secondo luogo, la nuova propulsione a fusione produce spinta espellendo sia particelle di plasma che bolle magnetiche note come plasmoidi

I plasmoidi aggiungono potenza alla propulsione e nessun altro concetto di propulsore li incorpora.

Terzo, a differenza degli attuali concetti di propulsore che si basano su campi elettrici, i campi magnetici nel propulsore a fusione di Ebrahimi permettono al plasma all’interno del propulsore di essere costituito da atomi pesanti o leggeri. 

Questa flessibilità consente agli scienziati di adattare la quantità di spinta per una particolare missione. “Mentre altri propulsori richiedono elementi pesante come lo xeno, in questo concetto è possibile utilizzare qualsiasi tipo di gas si desideri”, ha detto Ebrahimi. Gli scienziati potrebbero preferire il gas leggero in alcuni casi perché gli atomi più piccoli possono muoversi più rapidamente.

Il PPPL porta avanti la ricerca sulla propulsione spaziale includendo anche altri concetti come l’Hall Thruster Experiment avviato nel 1999 dai fisici del PPPL Yevgeny Raitses e Nathaniel Fisch per studiare l’uso di particelle di plasma per veicoli spaziali in movimento. 

Raitses e i suoi studenti stanno studiando l’uso di minuscoli propulsori Hall per dare ai piccoli satelliti chiamati CubeSats una maggiore manovrabilità mentre orbitano intorno alla Terra.

Ebrahimi ha sottolineato che il suo concetto di propulsore a fusione deriva direttamente dalla sua ricerca sull’energia di fusione. 

“Questo lavoro è stato ispirato dal passato lavoro di fusione e questa è la prima volta che i plasmoidi e la riconnessione sono stati proposti per la propulsione spaziale”, ha detto Ebrahimi. “Il prossimo passo è costruire un prototipo!”