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livello elementare.
ARGOMENTO: INNOVAZIONE TECNOLOGICA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: PROPULSIONE SPAZIALE
parole chiave: astronavi, viaggi interplanetari
Artemis II è tornata a casa, sperimentando nuove procedure che aumenteranno la sicurezza delle prossime missioni. La missione ha utilizzato il Space Launch System (SLS) come principale veicolo propulsore e, durante il viaggio verso e dalla Luna, il Modulo di Servizio Europeo (ESM) ha fornito la propulsione necessaria per le manovre chiave per potersi orientare e dirigere nello spazio profondo, avviando il motore principale RS-25 per fornire la spinta iniziale ed i motori laterali a propellente solido.
Come abbiamo già sottolineato ARTEMIS II rappresenta un passo significativo verso il ritorno sulla Luna dove il progetto intende installare la stazione permanente necessaria per fare il primo passo verso le stelle. Permangono però ancora problemi senza una soluzione: i tempi di trasferimento sono ancora troppo lunghi anche per ipotizzare una missione su Marte. Gli astronauti accumulerebbero troppe radiazioni ed il loro fisico perderebbe l’efficienza necessaria per continuare la loro missione. In breve , il sogno dell’Uomo di viaggiare verso altri pianeti si scontra con delle difficoltà oggettive: la fisiologia umana e la nostra attuale velocità di viaggiare oltre la nostra atmosfera. In merito al secondo punto, che tratterò oggi, va premesso che essa è legata al tipo di propulsione da utilizzare nel vuoto dello spazio e non deve essere confusa con quella per il lancio nello spazio o l’ingresso nell’atmosfera.
Sistema solare – Grafica di Vincenzo Popio
Il sistema solare è immenso e con l’attuale tecnologia occorrerebbero anni per percorrere distanze apprezzabili (si pensi alla Voyager 1 che, lanciata nel 1977, è l’oggetto terrestre che è arrivato più lontano dalla Terra viaggiando nello spazio interstellare a una velocità di circa 61.198 km/h, e si trova attualmente ad oltre 25 miliardi di chilometri dalla Terra, ovvero circa 0,0027 anni luce). Per collocare la attuale posizione della sonda dobbiamo pensare che il diametro del nostro sistema, inteso come la regione influenzata dal vento solare, è di circa 19 miliardi di chilometri ed il limite della Nube di Oort, che segna il limite esterno del sistema solare, è lontano ben 3,2 anni luce dal Sole. Questo ci fa comprendere che la sonda, per raggiungere la stella più vicina al Sole, Proxima Centauri, distante 4,24 anni luce, impiegherà 74.000 anni per arrivarci.
In viaggio verso l’infinito
Attualmente i razzi per la messa in orbita ci consentono di superare l’attrazione gravitazionale terrestre ed accelerare fino alla velocità necessaria per intraprendere un viaggio interplanetario. A questo punto si stanno ipotizzando le vele solari che sfruttano la pressione della radiazione solare per spingere le navicelle spaziali, riducendo la dipendenza dai propellenti chimici e consentendo quindi missioni di lunga durata. Sebbene la luce solare sia la principale fonte di spinta, le vele solari possono essere usate anche per viaggi interstellari se integrate con altre tecnologie, come potenti laser, che possono fornire la spinta necessaria una volta che la vela si allontani dalla zona di influenza diretta del sole.
Un’immagine composita che ho realizzato fino ad oggi da foto di pubblico dominio, per celebrare la notizia sul progetto Breakthrough Startshot – Fonte Sonda a vela leggera per Alpha Centauri – Autore Futurilla Sonda a vela leggera verso Alpha Centauri.jpg – Wikimedia Commons
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Per la propulsione spaziale si stanno sviluppando nuovi motori per raggiungere velocità superiori alle attuali e ridurre i tempi di viaggio. In particolare NASA, DARPA – Defense Advanced Research Projects Agency – ma anche altre agenzie spaziali stanno studiando l’applicazione del nucleare per la propulsione. Secondo un recente studio pubblicato sulla rivista EnginRxiv sono in corso di valutazione cinque tipi di propulsione: la Termica Nucleare (NTP), i razzi chimici, i propulsori ionici, l’Elettrica Nucleare (NEP) e quella al plasma che potrebbero essere adattati in funzione dei requisiti della missione.
Analizziamo i vari sistemi
I sistemi NTP offrono la capacità di fornire un elevato impulso specifico – una misura dell’efficienza del carburante – ed una spinta moderata, caratteristiche che li rendono un’opzione promettente per missioni nello spazio profondo. A differenza dei razzi chimici, che si basano sulla combustione, l’NTP utilizza un reattore nucleare per surriscaldare l’idrogeno prima di espellerlo ad alta velocità per generare la spinta.
Schema in italiano di un razzo termico nucleare. Tratto da de:Bild:Nukleartriebwerk_schema.svg Razzo termico nucleare it.svg – Wikimedia Commons
Secondo lo studio l’impulso specifico della tecnologia NTP è quasi il doppio di quello dei razzi chimici, quindi adatto per le missioni a lungo raggio in cui il risparmio di carburante è fondamentale. Tuttavia, i rischi per la sicurezza associati ai materiali radioattivi e gli elevati costi rimangono ostacoli significativi.
I razzi chimici eccellono nella potenza necessaria per sfuggire alla gravità terrestre, con livelli di spinta che superano di gran lunga altre tecnologie. Attraverso la reazione chimica del carburante e di un ossidante si generano 15.000 kilonewton di spinta e possono essere classificati in motori solidi, liquidi e ibridi. In particolare quelli a propellente solido offrono semplicità ed elevata spinta, rendendoli adatti per le fasi di lancio. Quelli a propellente liquido hanno una maggiore efficienza e controllabilità, mentre quelli ibridi combinano un combustibile solido ad un ossidante liquido per bilanciare spinta ed efficienza. Secondo lo studio citato, i razzi chimici sono indispensabili per i lanci ma la loro minore efficienza ed i maggiori requisiti in termini di carburante ne limitano l’idoneità per missioni prolungate.
La propulsione ionica è una tecnologia che sfrutta l’energia elettrica per ionizzare un gas neutro, come lo xeno, accelerando gli ioni risultanti tramite campi elettrici e magnetici.
Un diagramma di un propulsore ionico elettrostatico – Autore Oona Räisänen Ioni elettrostatici thruster-en.svg – Wikimedia Commons
La propulsione al plasma utilizza il quarto stato della materia, appunto il plasma, producendo un arco di elettricità al propellente per generare particelle di ioni che, accelerate utilizzando un forte campo magnetico, genererebbe la spinta del razzo.
Il sistema di propulsione ionica (IPS), fornito da NSTAR (NASA SEP Technology Application Readiness), utilizza un catodo cavo per produrre elettroni in grado di ionizzare lo xeno in collisione. Lo Xe+ viene accelerato elettrostaticamente attraverso un potenziale fino a 1280 V ed emesso dal propulsore da 30 cm attraverso una griglia di molibdeno. Viene emesso un fascio di elettroni separato per produrre un fascio di plasma neutro. L’unità di elaborazione di potenza (PPU) dell’IPS può accettare fino a 2,5 kW, corrispondenti a una potenza operativa massima del propulsore di 2,3 kW e una spinta di 92 mN. La limitazione si ottiene bilanciando i parametri del sistema di alimentazione X e propulsore a livelli di potenza inferiori, e alla potenza del propulsore più bassa, 500 W, la spinta è di 20 mN. L’impulso specifico diminuisce da 3100 s ad alta potenza a 1900 s al livello minimo dell’accelerazione. Fonte NASA – DS1 su come funziona il motore ionico dal NASA Glenn Research – Ion engine.svg – Wikimedia Commons
Questa tecnologia è considerata promettente per la sua efficienza e potenziale capacità di raggiungere elevate velocità nello spazio. I propulsori ionici vantano infatti valori di impulso fino a 20 volte quelli dei razzi chimici. La propulsione al plasma offre un’efficienza ancora maggiore a 8.000 secondi mantenendo la capacità di regolazione dei livelli di spinta durante la missione. Questi motori tendono a generare il plasma utilizzando diversi metodi, tra cui la radiofrequenza o l’energia a microonde tramite un’antenna esterna. Non ci sono parti mobili o griglie: il design è un semplice cilindro e tutte le parti importanti che entrano in contatto con il propellente sono in vetro o in ceramica. Ciò significa che possiamo usare qualsiasi tipo di propellente come argon, anidride carbonica o persino urina umana invece dello xeno, che è molto più raro. L’elevato impulso specifico rende quindi questi sistemi ideali per le missioni nello spazio profondo, dove una spinta continua e delicata può accelerare gradualmente il veicolo spaziale ad alte velocità per lunghi periodi.
Motore di propulsione al plasma con un lungo albero elettromagnetico per accelerare il propellente al plasma ad alte velocità dalla parte posteriore del propulsore. Il lungo albero ospita un magnete superconduttore a temperature più elevate e può essere raffreddato passivamente dalle basse temperature dello spazio. Si notano radiatori e specchi attorno all’albero per bloccare la luce solare impedendo che raggiunga il nucleo magnetico superconduttore e per aiutare a dissipare il calore dal nucleo magnetico superconduttore – schema realizzato con Sketchup e V-Ray – autore Wikideas1 Motore di propulsione al plasma.webp – Wikimedia Commons
Lo svantaggio è che questi motori è che possono generare solo una leggera spinta, il che li renderebbe inadatti al lancio. Inoltre, il loro elevato fabbisogno energetico richiede sistemi di alimentazione avanzati, come generatori nucleari o enormi pannelli solari, aggiungendo complessità alla progettazione della missione. Ciononostante sono i più promettenti per l’esplorazione dello spazio profondo, dove un’accelerazione graduale nel tempo può spingere i veicoli spaziali a velocità straordinarie. In particolare, secondo lo studio citato, la combinazione di efficienza e controllo renderebbe i propulsori ionici ed i sistemi al plasma particolarmente adatti per missioni come l’esplorazione di asteroidi o dove, per effettuare regolazioni orbitali, siano necessarie precisione ed efficienza piuttosto che potenza.
Un approccio ibrido all’energia nucleare si ha nella Propulsione Elettrica Nucleare (NEP) che utilizza l’energia generata da un reattore nucleare per alimentare un motore elettrico, che a sua volta produce la spinta necessaria per il movimento del veicolo spaziale. Questa tecnologia combinerebbe la densità energetica del nucleare con la flessibilità e l’efficienza dei motori elettrici. Di fatto attraverso la fissione nucleare, una tecnologia ben consolidata nella produzione di energia, si potrebbero ottenere propulsioni più potenti di quelle ottenute con razzi a propulsione chimica. La ricerca si sta ora indirizzando verso lo sviluppo di reattori alimentati ad uranio poco arricchito. Questo tipo di carburante risulta meno efficiente in termini di fissione, ma è più sicuro per eventuali incidenti durante i test a terra.
Non è solo una questione di efficienza
Ogni tecnologia di propulsione è accompagnata da considerazioni ambientali e di sicurezza. I razzi chimici, con le loro emissioni di propellente, contribuiscono all’inquinamento atmosferico, mentre NTP e NEP comportano l’impiego di materiali radioattivi. I propulsori ionici e al plasma generano emissioni minime ma dipendono da propellenti rari come lo xeno, sollevando interrogativi sulla sostenibilità delle risorse. Trovare un equilibrio tra l’impatto ambientale e i requisiti della missione sarà quindi una sfida decisiva per la futura esplorazione spaziale. Altro fattore sono i costi che giocheranno un ruolo decisivo sui sistemi che verranno utilizzati per l’esplorazione spaziale. I razzi chimici sono relativamente economici da costruire e gestire, dell’ordine di qualche milione di euro ma i sistemi NTP e NEP, comportano costi di ricerca e sviluppo molto più elevati, per la complessità dell’integrazione dei reattori nucleari – per dare un’idea oltre i 200 milioni di dollari. La propulsione al plasma ha costi ancora maggiori, che possono essere di milioni se non miliardi di euro, che includono lo sviluppo, la costruzione e il test. Un mix di vantaggi e svantaggi che può pesare sulle decisioni che le aziende costruttrici dovranno prendere. Aziende come SpaceX, ad esempio, attualmente si affidano a motori chimici, e potrebbero esplorare sistemi ionici o al plasma per future imprese nello spazio profondo.
Conclusioni
Il futuro dell’esplorazione spaziale coinvolgerà probabilmente una gamma di diverse tecnologie, ritagliate agli obiettivi specifici della missione. Per le missioni con equipaggio nello spazio profondo bisognerà concentrarsi sullo sviluppo ed il perfezionamento dei sistemi di propulsione termica nucleare (NTP), affrontando le sfide di sicurezza e costi per utilizzare la loro efficienza e il loro potenziale di spinta. Per quelle di lunga durata senza equipaggio bisognerà investire nell’avanzamento delle tecnologie di propulsione al plasma e dei propulsori ionici per massimizzare l’efficienza e ridurre l’impatto ambientale.
La ricerca naturalmente continua, esplorando i sistemi di propulsione ibrida che combinano i punti di forza di più tecnologie (scienza dei materiali, progettazione dei reattori per migliorare la sicurezza e la fattibilità della propulsione nucleare). Secondo tutti questi studi, la ricerca futura dovrebbe concentrarsi sulla creazione di protocolli di sicurezza per la propulsione nucleare, sulla riduzione dei costi di sviluppo con l’utilizzo dell’intelligenza artificiale per migliorare l’efficienza della propulsione in funzione della pianificazione della missione. Mentre i motori chimici rimangono la tecnologia più affidabile per il lancio e le manovre orbitali, il futuro dell’esplorazione spaziale dipenderà sempre più dai motori nucleari, sia termici che elettrici. Ad esempio il motore al plasma di Rosatom (agenzia russa per l’energia atomica) rappresenta una delle alternative più promettenti, con il potenziale di rivoluzionare i viaggi interplanetari, sfruttando campi elettromagnetici per accelerare le particelle fino a velocità di 360.000 km/h.
Tuttavia, i motori termici nucleari sembrano essere ancora la soluzione più immediata e promettente per missioni con equipaggio, come quelle future verso Marte, perché offrono un buon compromesso tra spinta elevata ed efficienza, riducendo significativamente i tempi di viaggio e l’esposizione alle radiazioni cosmiche.
Vincenzo Popio
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1 UA è la distanza media tra la Terra e il Sole, circa 150 milioni di chilometri.
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Laureato in Scienze Marine presso l’Università di Pisa con un Ph. D. in Maritime Science e Master in “Environmental science and sea pollution research” presso la Pacific Western University di Los Angeles, California, il dottor Popio ha trascorso oltre 32 anni di servizio attivo nella Marina Militare. Ha ricoperto incarichi di Comando a bordo delle unità navali, come Direttore agli Studi presso Istituti di Formazione militare e come rappresentante della Marina presso l’Ufficio del Sottocapo di Stato Maggiore della Difesa. Lasciato il servizio attivo, il dr. Popio, ha continuato, in campo civile, a fornire il proprio contributo per la salvaguardia dell’ambiente marino e di tutte le sue specie, collaborando in diversi progetti riguardanti l’ambiente, con le Università di Bari, Lecce, Napoli e con l’Istituto per l’Ambiente Marino Costiero-CNR di Taranto. Numerosi sono gli articoli pubblicati sulla stampa locale sull’inquinamento (aria, mare, suolo) a Taranto, dovuto alla presenza delle industrie pesanti. Uno studio particolare è stato effettuato sul Mar Piccolo e il Mar Grande di Taranto.