Il sistema solare è un luogo davvero grande e ci vuole un'eternità a viaggiare da un mondo all'altro con i tradizionali razzi chimici. Ma una tecnica, sviluppata negli anni '60, potrebbe fornire un modo per ridurre drasticamente i nostri tempi di viaggio: i razzi nucleari.
Naturalmente, anche il lancio di un razzo alimentato da materiale radioattivo ha i suoi rischi. Dovremmo provarlo?
Diciamo che volevi visitare Marte usando un razzo chimico. Spariresti via dalla Terra e entreresti nell'orbita terrestre bassa. Quindi, al momento giusto, spareresti il tuo razzo, sollevando l'orbita dal Sole. La nuova traiettoria ellittica che stai seguendo si interseca con Marte dopo otto mesi di volo.
Questo è noto come trasferimento Hohmann ed è il modo più efficiente in cui sappiamo viaggiare nello spazio, utilizzando la minima quantità di propellente e la massima quantità di carico utile. Il problema ovviamente è il tempo impiegato. Durante il viaggio, gli astronauti consumeranno cibo, acqua, aria e saranno esposti alle radiazioni a lungo termine dello spazio profondo. Quindi una missione di ritorno raddoppia la necessità di risorse e raddoppia il carico di radiazioni.
Dobbiamo andare più veloci.
Si scopre che la NASA ha pensato a cosa succederà dopo i razzi chimici da quasi 50 anni.
Razzi termici nucleari. Accelerano sicuramente il viaggio, ma non sono privi dei propri rischi, motivo per cui non li hai visti. Ma forse il loro tempo è qui.
Nel 1961, la NASA e la Commissione per l'energia atomica lavorarono insieme sull'idea della propulsione termica nucleare, o NTP. Questo è stato introdotto da Werner von Braun, che sperava che le missioni umane sarebbero volate su Marte negli anni '80, sulle ali dei missili nucleari.
Bene, ciò non è accaduto. Ma hanno eseguito alcuni test di successo della propulsione termica nucleare e hanno dimostrato che funziona.
Mentre un razzo chimico funziona accendendo una specie di sostanza chimica infiammabile e quindi forzando i gas di scarico fuori da un ugello. Grazie alla buona terza legge di Newton, sai, per ogni azione c'è una reazione uguale e contraria, il razzo riceve una spinta nella direzione opposta dai gas espulsi.
Un razzo nucleare funziona in modo simile. Una sfera di marmo di dimensioni pari a Uranio subisce il processo di fissione, rilasciando un'enorme quantità di calore. Questo riscalda un idrogeno a quasi 2.500 C che viene poi espulso dalla parte posteriore del razzo ad alta velocità. Molto alta velocità, dando al razzo due o tre volte l'efficienza di propulsione di un razzo chimico.
Ricordi gli 8 mesi che ho citato per un razzo chimico? Un razzo termico nucleare potrebbe dimezzare il tempo di transito, forse anche viaggi di 100 giorni su Marte. Ciò significa meno risorse consumate dagli astronauti e un carico di radiazioni inferiore.
E c'è un altro grande vantaggio. La spinta di un razzo nucleare potrebbe consentire alle missioni di andare quando Terra e Marte non sono perfettamente allineati. In questo momento se ti manca la finestra, devi aspettare altri 2 anni, ma un razzo nucleare potrebbe darti la spinta per affrontare i ritardi dei voli.
I primi test sui razzi nucleari iniziarono nel 1955 con Project Rover presso il Los Alamos Scientific Laboratory. Lo sviluppo chiave era la miniaturizzazione dei reattori abbastanza da poterli mettere su un razzo. Nei prossimi anni, gli ingegneri hanno costruito e testato più di una dozzina di reattori di diverse dimensioni e potenze.
Con il successo di Project Rover, la NASA puntò gli occhi sulle missioni umane su Marte che avrebbero seguito i lander Apollo sulla Luna. A causa della distanza e del tempo di volo, decisero che i missili nucleari sarebbero stati la chiave per rendere le missioni più capaci.
I razzi nucleari non sono senza rischi, ovviamente. Un reattore a bordo sarebbe una piccola fonte di radiazioni per l'equipaggio dell'astronauta a bordo, questo sarebbe compensato dal tempo di volo ridotto. Lo spazio profondo stesso è un enorme pericolo di radiazioni, con la costante radiazione cosmica galattica che danneggia il DNA dell'astronauta.
Alla fine degli anni '60, la NASA istituì il programma Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application, o NERVA, sviluppando le tecnologie che sarebbero diventate i missili nucleari che avrebbero portato gli umani su Marte.
Hanno testato missili nucleari più grandi e potenti nel deserto del Nevada, sfogando l'idrogeno ad alta velocità nell'atmosfera. Le leggi ambientali erano molto meno severe allora.
Il primo NERVA NRX è stato infine testato per quasi due ore, con 28 minuti a piena potenza. E un secondo motore è stato avviato 28 volte e ha funzionato per 115 minuti.
Alla fine, hanno testato il reattore nucleare più potente mai costruito, il reattore Phoebus-2A, in grado di generare 4.000 megawatt di potenza. Spinta per 12 minuti.
Sebbene i vari componenti non siano mai stati effettivamente assemblati in un razzo pronto per il volo, gli ingegneri erano soddisfatti che un razzo nucleare avrebbe soddisfatto le esigenze di un volo su Marte.
Ma poi, gli Stati Uniti hanno deciso di non voler più andare su Marte. Volevano invece la navetta spaziale.
Il programma fu chiuso nel 1973 e da allora nessuno testò i missili nucleari.
Ma i recenti progressi della tecnologia hanno reso più attraente la propulsione termica nucleare. Negli anni '60, l'unica fonte di carburante che potevano usare era l'uranio altamente arricchito. Ma ora gli ingegneri pensano di riuscire a cavarsela con l'uranio a basso arricchimento.
Ciò sarebbe più sicuro con cui lavorare e consentirebbe a più strutture missilistiche di eseguire test. Sarebbe anche più facile catturare le particelle radioattive nello scarico e smaltirle correttamente. Ciò ridurrebbe i costi complessivi di lavoro con la tecnologia.
Il 22 maggio 2019, il Congresso degli Stati Uniti ha approvato $ 125 milioni di dollari in finanziamenti per lo sviluppo di missili nucleari a propulsione termica. Sebbene questo programma non abbia alcun ruolo da svolgere nel ritorno sulla Luna della NASA Artemis 2024, esso - cita - “invita la NASA a sviluppare un piano pluriennale che consenta una dimostrazione di propulsione termica nucleare inclusa la linea temporale associata alla dimostrazione spaziale e una descrizione delle future missioni e sistemi di propulsione e di potenza abilitati da questa capacità. "
La fissione nucleare è un modo per sfruttare la potenza dell'atomo. Naturalmente, richiede l'uranio arricchito e genera rifiuti radioattivi tossici. Che dire della fusione? Dove gli atomi di idrogeno vengono spremuti in elio, rilasciando energia?
Il Sole ha funzionato alla fusione, grazie alla sua enorme massa e temperatura interna, ma la fusione sostenibile, positiva per l'energia, è stata sfuggente da noi umani umani.
Enormi esperimenti come ITER in Europa sperano di sostenere l'energia di fusione entro il prossimo decennio. Successivamente, puoi immaginare che i reattori a fusione vengano miniaturizzati al punto da poter svolgere lo stesso ruolo di un reattore a fissione in un razzo nucleare. Ma anche se non riesci a ottenere i reattori a fusione al punto da essere netti positivi per l'energia, possono comunque fornire un'enorme accelerazione per la quantità di massa.
E forse non abbiamo bisogno di aspettare decenni. Un gruppo di ricerca del Princeton Plasma Physics Laboratory sta lavorando a un concetto chiamato Direct Fusion Drive, che ritengono possa essere pronto molto prima.
Si basa sul reattore a fusione Princeton Field-Reversed Configuration sviluppato nel 2002 da Samuel Cohen. Il plasma caldo di elio-3 e deuterio è contenuto in un contenitore magnetico. L'elio-3 è raro sulla Terra e prezioso perché le reazioni di fusione con esso non genereranno la stessa quantità di radiazioni pericolose o scorie nucleari di altri reattori a fusione o fissione.
Come con il razzo a fissione, un razzo a fusione riscalda un propellente alle alte temperature e poi lo fa esplodere da dietro, producendo spinta.
Funziona allineando un gruppo di magneti lineari che contengono e ruotano plasma molto caldo. Le antenne attorno al plasma sono sintonizzate sulla frequenza specifica degli ioni e creano una corrente nel plasma. La loro energia viene pompata fino al punto in cui gli atomi si fondono, rilasciando nuove particelle. Queste particelle vagano attraverso il campo di contenimento fino a quando non vengono catturate dalle linee del campo magnetico e vengono accelerate dalla parte posteriore del razzo.
In teoria, un razzo a fusione sarebbe in grado di fornire da 2,5 a 5 Newton di spinta per megawatt, con un impulso specifico di 10.000 secondi - ricorda 850 da razzi a fissione e 450 da razzi chimici. Genererebbe anche l'elettricità necessaria al veicolo spaziale lontano dal Sole, dove i pannelli solari non sono molto efficienti.
Un Direct Fusion Drive sarebbe in grado di portare una missione di 10 tonnellate a Saturno in soli 2 anni o un veicolo spaziale da 1 tonnellata dalla Terra a Plutone in circa 4 anni. New Horizons aveva bisogno di quasi 10.
Poiché è anche un reattore a fusione da 1 megawatt, fornirebbe anche energia a tutti gli strumenti del veicolo spaziale quando arriva. Molto più delle batterie nucleari attualmente trasportate da missioni nello spazio profondo come Voyager e New Horizons.
Immagina quali tipi di missioni interstellari potrebbero essere sul tavolo anche con questa tecnologia.
E Princeton Satellite Systems non è l'unico gruppo che lavora su sistemi come questo. I sistemi di fusione applicata hanno richiesto un brevetto per un motore a fusione nucleare che potrebbe fornire una spinta ai veicoli spaziali.
So che sono passati decenni da quando la NASA ha testato seriamente i razzi nucleari come un modo per abbreviare i tempi di volo, ma sembra che la tecnologia sia tornata. Nei prossimi anni mi aspetto di vedere nuovi hardware e nuovi test sui sistemi di propulsione termica nucleare. E sono incredibilmente entusiasta della possibilità che i veri drive di fusione ci portino in altri mondi. Come sempre, rimanete sintonizzati, vi farò sapere quando si vola davvero.
