Credito d'immagine: NASA
Come tutti sanno, i razzi chimici sono troppo lenti per l'esplorazione dello spazio. Forse i più efficienti saranno i sistemi ibridi, con diversi tipi di propulsione utilizzati in diversi punti di un viaggio. Questo articolo fornisce una panoramica delle tecnologie su cui la NASA sta attualmente lavorando.
"Mamma, ci siamo ancora?"
Ogni genitore ha sentito quel grido dal sedile posteriore della macchina. Di solito inizia circa 15 minuti dopo l'inizio di qualsiasi viaggio di famiglia. Meno male che raramente viaggiamo a più di qualche centinaio o qualche migliaio di miglia da casa.
E se viaggiassi, per esempio, su Marte? Anche al suo approccio più vicino alla Terra ogni due anni, il pianeta rosso è sempre ad almeno 35 milioni di miglia di distanza. Sei mesi lì e sei mesi indietro, nella migliore delle ipotesi.
"Houston, ci siamo ancora?"
"I missili chimici sono troppo lenti", lamenta Les Johnson, responsabile delle tecnologie di trasporto nello spazio presso il Marshall Space Flight Center della NASA. "Bruciano tutto il loro propellente all'inizio di un volo e poi l'astronave costeggia il resto del percorso." Sebbene l'astronave possa essere accelerata dall'assistenza per gravità - una crepa celeste intorno ai pianeti, come quella intorno a Saturno che ha lanciato Voyager 1 al bordo del sistema solare - i tempi di viaggio di andata e ritorno tra i pianeti sono ancora misurati in anni a decenni. E un viaggio verso la stella più vicina richiederebbe secoli se non millenni.
Peggio ancora, i razzi chimici sono troppo inefficienti dal punto di vista del carburante. Pensa di guidare un motociclista in un paese senza stazioni di servizio. Dovresti trasportare carichi di gas in barca e non molto altro. Nelle missioni spaziali, ciò che puoi trasportare durante il tuo viaggio che non è carburante (o serbatoi per carburante) è chiamato massa del carico utile, ad esempio persone, sensori, campionatori, dispositivi di comunicazione e cibo. Proprio come il chilometraggio del gas è una figura di merito utile per l'efficienza del carburante di un'auto, la "frazione di massa del carico utile" - il rapporto tra la massa del carico utile di una missione e la sua massa totale - è una figura di merito utile per l'efficienza dei sistemi di propulsione.
Con i razzi chimici di oggi, la frazione di massa del carico utile è bassa. "Anche usando una traiettoria di energia minima per inviare un equipaggio di sei persone dalla Terra a Marte, con i soli razzi chimici la massa totale di lancio supererebbe le 1.000 tonnellate, di cui circa il 90 percento sarebbe combustibile", ha dichiarato Bret G. Drake, responsabile per l'analisi e l'integrazione del lancio nello spazio presso il Johnson Space Center. Il solo carburante peserebbe il doppio della Stazione Spaziale Internazionale completata.
Una singola spedizione su Marte con la tecnologia di propulsione chimica odierna richiederebbe dozzine di lanci, la maggior parte dei quali semplicemente lancerebbe carburante chimico. È come se la tua auto compatta da 1 tonnellata avesse bisogno di 9 tonnellate di benzina per guidare da New York City a San Francisco perché in media solo un miglio per gallone.
In altre parole, i sistemi di propulsione a basse prestazioni sono uno dei motivi principali per cui gli umani non hanno ancora messo piede su Marte.
Sistemi di propulsione più efficienti aumentano la frazione di massa del carico utile fornendo un migliore "chilometraggio del gas" nello spazio. Dal momento che non hai bisogno di più propellente, puoi trasportare più roba, salire su un veicolo più piccolo e / o arrivarci più velocemente e in modo più economico. "Il messaggio chiave è: abbiamo bisogno di tecnologie di propulsione avanzate per consentire una missione a basso costo su Marte", ha dichiarato Drake.
Pertanto, la NASA sta ora sviluppando unità ioniche, vele solari e altre tecnologie di propulsione esotiche che per decenni hanno sibilato gli umani su altri pianeti e stelle, ma solo nelle pagine della fantascienza.
Dalla tartaruga alla lepre
Quali sono le opzioni scientifiche?
La NASA sta lavorando duramente su due approcci di base. Il primo è quello di sviluppare razzi radicalmente nuovi che abbiano un consumo di carburante di ordine di grandezza migliore rispetto alla propulsione chimica. Il secondo è sviluppare sistemi "senza propellenti" che sono alimentati da risorse abbondanti nel vuoto dello spazio profondo.
Tutte queste tecnologie condividono una caratteristica chiave: iniziano lentamente, come la proverbiale tartaruga, ma nel tempo si trasformano in una lepre che in realtà vince una corsa su Marte — o ovunque. Si basano sul fatto che una piccola accelerazione continua nel corso dei mesi alla fine può spingere un veicolo spaziale molto più velocemente di un enorme calcio iniziale seguito da un lungo periodo di costa.
Sopra: questa navicella spaziale a bassa spinta (il concetto di un artista) è azionata da un motore a ioni e alimentata da elettricità solare. Alla fine l'imbarcazione prenderà velocità, a causa dell'accelerazione incessante, e correrà a molte miglia al secondo. Credito immagine: John Frassanito & Associates, Inc.
Tecnicamente parlando, sono tutti sistemi a bassa spinta (il che significa che sentiresti a malapena l'accelerazione oh-così delicata, equivalente a quella del peso di un pezzo di carta steso sul palmo della mano) ma lunghi tempi di funzionamento. Dopo mesi di continue piccole accelerazioni, avresti tagliato a molte miglia al secondo! Al contrario, i sistemi di propulsione chimica hanno un'elevata spinta e brevi tempi di funzionamento. Sei schiacciato di nuovo nei cuscini del sedile mentre i motori si accendono, ma solo per un breve periodo. Successivamente il serbatoio è vuoto.
Razzi a basso consumo di carburante
"Un razzo è tutto ciò che getta qualcosa in mare per spingerlo in avanti", ha sottolineato Johnson. (Non credete a questa definizione? Sedetevi su uno skateboard con un tubo flessibile ad alta pressione puntato in una direzione e sarete spinti nella direzione opposta).
I candidati principali per il razzo avanzato sono le varianti dei motori a ioni. Negli attuali motori a ioni, il propellente è un gas inerte incolore, insapore e inodore, come lo xeno. Il gas riempie una camera ad anello magnetico attraverso la quale scorre un fascio di elettroni. Gli elettroni colpiscono gli atomi gassosi, eliminando un elettrone esterno e trasformando atomi neutri in ioni caricati positivamente. Le griglie elettrificate con molti fori (15.000 nelle versioni odierne) focalizzano gli ioni verso lo scarico dell'astronave. Gli ioni sparano oltre le griglie a velocità fino a oltre 100.000 miglia all'ora (paragonandolo a una 500 Indianapolis a 225 mph), accelerando il motore nello spazio, producendo così una spinta.
Da dove viene l'elettricità per ionizzare il gas e caricare il motore? Dai pannelli solari (la cosiddetta propulsione elettrica solare) o dalla fissione o fusione (la cosiddetta propulsione elettrica nucleare). I motori di propulsione elettrici solari sarebbero i più efficaci per le missioni robotiche tra il sole e Marte e la propulsione elettrica nucleare per le missioni robotiche oltre Marte in cui la luce solare è debole o per le missioni umane in cui la velocità è essenziale.
Le unità ioniche funzionano. Hanno dimostrato il loro coraggio non solo nei test sulla Terra, ma anche nei veicoli spaziali funzionanti: il più noto è Deep Space 1, una piccola missione di test della tecnologia alimentata dalla propulsione elettrica solare che è volata e ha scattato foto della cometa Borrelly a settembre, 2001. I drive ionici come quello che ha spinto Deep Space 1 sono circa 10 volte più efficienti dei missili chimici.
Sistemi senza propellente
I sistemi di propulsione a massa più bassa, tuttavia, possono essere quelli che non portano affatto propellente a bordo. In realtà, non sono nemmeno razzi. Invece, nel vero stile pionieristico, "vivono al di fuori della terra", facendo affidamento per l'energia su risorse naturali abbondanti nello spazio, così come i pionieri di una volta si affidavano al cibo per intrappolare gli animali e trovare radici e bacche sulla frontiera.
I due candidati principali sono le vele solari e le vele al plasma. Sebbene l'effetto sia simile, i meccanismi operativi sono molto diversi.
Una vela solare è costituita da un'enorme area di materiale gossamer, altamente riflettente che viene dispiegato nello spazio profondo per catturare la luce del sole (o da un forno a microonde o un raggio laser dalla Terra). Per missioni molto ambiziose, le vele potrebbero raggiungere un'area di molti chilometri quadrati.
Le vele solari sfruttano il fatto che i fotoni solari, sebbene non abbiano massa, hanno un momento - diversi micronewton (circa il peso di una moneta) per metro quadrato alla distanza della Terra. Questa leggera pressione di radiazione accelererà lentamente ma sicuramente la vela e il suo carico utile lontano dal sole, raggiungendo velocità fino a 150.000 miglia orarie o più di 40 miglia al secondo.
Un malinteso comune è che le vele solari catturano il vento solare, un flusso di elettroni energetici e protoni che bolle via dall'atmosfera esterna del Sole. Non così. Le vele solari ottengono il loro slancio dalla luce solare stessa. È possibile, tuttavia, sfruttare lo slancio del vento solare utilizzando le cosiddette "vele al plasma".
Le vele al plasma sono modellate sul proprio campo magnetico terrestre. Potenti elettromagneti di bordo circonderebbero un veicolo spaziale con una bolla magnetica di 15 o 20 chilometri di diametro. Le particelle cariche ad alta velocità nel vento solare spingerebbero la bolla magnetica, proprio come fanno il campo magnetico terrestre. La Terra non si muove quando viene spinta in questo modo: il nostro pianeta è troppo massiccio. Ma un'astronave verrebbe gradualmente allontanata dal Sole. (Un ulteriore vantaggio: proprio come il campo magnetico terrestre protegge il nostro pianeta da esplosioni solari e tempeste di radiazioni, così una vela al plasma magnetico proteggerebbe gli occupanti di un veicolo spaziale.)
Sopra: il concetto di artista di una sonda spaziale all'interno di una bolla magnetica (o "vela al plasma"). Le particelle cariche nel vento solare colpiscono la bolla, applicano la pressione e spingono il veicolo spaziale. [Di Più]
Naturalmente, la tecnologia originale, collaudata e senza propellenti, è l'assistenza alla gravità. Quando un'astronave oscilla su un pianeta, può rubare parte del momento orbitale del pianeta. Questo difficilmente fa la differenza per un pianeta enorme, ma può aumentare in modo impressionante la velocità di un veicolo spaziale. Ad esempio, quando Galileo oscillò sulla Terra nel 1990, la velocità del veicolo spaziale aumentò di 11.620 mph; nel frattempo la Terra ha rallentato nella sua orbita di una quantità inferiore a 5 miliardesimi di pollice all'anno. Tali ausili gravitazionali sono preziosi per integrare qualsiasi forma di sistema di propulsione.
Bene, ora che stai sfrecciando nello spazio interplanetario, come rallenti abbastanza a destinazione da entrare in un'orbita di parcheggio e prepararti all'atterraggio? Con la propulsione chimica, la solita tecnica è quella di sparare ai retrorocket, ancora una volta, che richiedono grandi masse di carburante a bordo.
Un'opzione molto più economica è promessa dall'aerocapture: frenare il veicolo spaziale per attrito con l'atmosfera del pianeta di destinazione. Il trucco, ovviamente, non è far bruciare un veicolo spaziale interplanetario ad alta velocità. Ma gli scienziati della NASA ritengono che, con uno scudo termico progettato in modo appropriato, sarebbe possibile che molte missioni fossero catturate in orbita attorno a un pianeta di destinazione con un solo passaggio attraverso la sua atmosfera superiore.
Onward!
"Nessuna tecnologia di propulsione singola farà di tutto per tutti", ha ammonito Johnson. In effetti, le vele solari e le vele al plasma sarebbero probabilmente utili principalmente per spingere merci piuttosto che esseri umani dalla Terra a Marte, perché "ci vuole troppo tempo perché queste tecnologie si alzino per sfuggire alla velocità", ha aggiunto Drake.
Tuttavia, un ibrido di diverse tecnologie potrebbe rivelarsi davvero molto economico per ottenere una missione con equipaggio su Marte. In effetti, una combinazione di propulsione chimica, propulsione ionica e aerocapture potrebbe ridurre la massa di lancio di una missione su 6 persone su Marte a meno di 450 tonnellate (che richiedono solo sei lanci), meno della metà di quella ottenibile con la sola propulsione chimica.
Una missione così ibrida potrebbe andare così: i razzi chimici, come al solito, avrebbero fatto decollare l'astronave. Una volta in orbita terrestre bassa, i moduli di azionamento a ioni si accenderebbero, oppure i controller di terra potrebbero schierare una vela solare o al plasma. Per 6-12 mesi, l'astronave - temporaneamente senza equipaggio per evitare di esporre l'equipaggio a grandi dosi di radiazioni nelle fasce di radiazione di Van Allen della Terra - si allontanerebbe a spirale, accelerando gradualmente fino a un'orbita finale di partenza terrestre alta. L'equipaggio sarebbe quindi trasportato sul veicolo Mars su un taxi ad alta velocità; un piccolo stadio chimico avrebbe quindi sollevato il veicolo per sfuggire alla velocità e si sarebbe diretto verso Marte.
Mentre la Terra e Marte ruotano nelle rispettive orbite, la geometria relativa tra i due pianeti cambia costantemente. Sebbene le opportunità di lancio su Marte avvengano ogni 26 mesi, gli allineamenti ottimali per i viaggi più economici e veloci possibili si verificano ogni 15 anni, il prossimo in arrivo nel 2018.
Forse a quel punto avremo una risposta diversa alla domanda: "Houston, ci siamo ancora?"
Fonte originale: NASA Science Story
