Un professore americano spiega perché i motori a razzo nucleare sono più efficienti di quelli chimici. Pertanto, sono loro che aiuteranno a esplorare Marte e tutto ciò che è al di là di esso. Ma non pensa alla questione se la NASA avrà abbastanza soldi per sviluppare tali motori, se anche il Pentagono è impegnato in essi, e gli viene dato prima di tutto.
La NASA ed Elon Musk sognano Marte e le missioni nello spazio profondo con equipaggio diventeranno presto una realtà. Probabilmente sarai sorpreso, ma i razzi moderni volano un po 'più velocemente dei razzi del passato.
Le navi spaziali veloci sono più convenienti per una serie di motivi e il modo migliore per accelerare è con i razzi a propulsione nucleare. Hanno molti vantaggi rispetto ai razzi convenzionali alimentati a carburante o ai moderni razzi elettrici a energia solare, ma negli ultimi 40 anni gli Stati Uniti hanno lanciato solo otto razzi a propulsione nucleare.
Tuttavia, lo scorso anno, le leggi sui viaggi spaziali nucleari sono cambiate e il lavoro sulla prossima generazione di razzi è già iniziato.
Perché è necessaria la velocità?
Nella prima fase di qualsiasi volo nello spazio, è necessario un veicolo di lancio: porta la nave in orbita. Questi grandi motori funzionano con carburante combustibile e di solito quando si tratta di lanciare razzi, intendono proprio loro. Presto non andranno da nessuna parte, né la forza di gravità.
Ma quando la nave entra nello spazio, le cose si fanno più interessanti. Per superare la gravità della Terra e andare nello spazio profondo, la nave necessita di un'ulteriore accelerazione. È qui che entrano in gioco i sistemi nucleari. Se gli astronauti vogliono esplorare qualcosa oltre la Luna, o anche di più Marte, devono sbrigarsi. Il cosmo è enorme e le distanze sono piuttosto grandi.
Video promozionale:
Ci sono due ragioni per cui i razzi veloci sono più adatti per i viaggi spaziali a lunga distanza: sicurezza e tempo.
Sulla strada per Marte, gli astronauti devono affrontare livelli molto elevati di radiazioni, irti di gravi problemi di salute, tra cui cancro e infertilità. La schermatura dalle radiazioni può aiutare, ma è estremamente pesante e più lunga è la missione, più potente sarà la schermatura necessaria. Pertanto, il modo migliore per ridurre la dose di radiazioni è semplicemente arrivare a destinazione più velocemente.
Ma la sicurezza dell'equipaggio non è l'unico vantaggio. Più voli distanti pianifichiamo, prima abbiamo bisogno di dati da missioni senza pilota. La Voyager 2 ha impiegato 12 anni per raggiungere Nettuno e, mentre volava, ha scattato delle foto incredibili. Se Voyager avesse un motore più potente, queste fotografie e questi dati sarebbero apparsi negli astronomi molto prima.
Quindi la velocità è un vantaggio. Ma perché i sistemi nucleari sono più veloci?
I sistemi odierni
Superata la forza di gravità, la nave deve considerare tre aspetti importanti.
I più comuni oggi sono i motori chimici, ovvero razzi convenzionali alimentati a carburante e razzi elettrici a energia solare.
I sistemi di propulsione chimica forniscono molta spinta, ma non sono particolarmente efficienti e il carburante per missili non richiede molta energia. Il razzo Saturn 5 che ha trasportato gli astronauti sulla luna ha prodotto 35 milioni di newton di forza al decollo e ha trasportato 950.000 galloni (4.318.787 litri) di carburante. La maggior parte è stata utilizzata per portare il razzo in orbita, quindi i limiti sono evidenti: ovunque tu vada, hai bisogno di molto carburante pesante.
I sistemi di propulsione elettrica generano spinta utilizzando l'elettricità dai pannelli solari. Il modo più comune per ottenere ciò è utilizzare un campo elettrico per accelerare gli ioni, come in un propulsore a induzione di Hall. Questi dispositivi vengono utilizzati per alimentare i satelliti e la loro efficienza in termini di peso è cinque volte quella dei sistemi chimici. Ma allo stesso tempo emettono molta meno spinta: circa 3 newton. Questo è solo sufficiente per accelerare l'auto da 0 a 100 chilometri orari in circa due ore e mezza. Il sole è essenzialmente una fonte di energia senza fondo, ma più la nave si allontana da esso, meno è utile.
Uno dei motivi per cui i missili nucleari sono particolarmente promettenti è la loro incredibile intensità energetica. Il combustibile di uranio utilizzato nei reattori nucleari ha un'intensità energetica di 4 milioni di volte quella dell'idrazina, un tipico combustibile chimico per missili. Ed è molto più facile portare dell'uranio nello spazio che centinaia di migliaia di galloni di carburante.
Che dire della trazione e dell'efficienza del peso?
Due opzioni nucleari
Per i viaggi nello spazio, gli ingegneri hanno sviluppato due tipi principali di sistemi nucleari.
Il primo è un motore termonucleare. Questi sistemi sono molto potenti e altamente efficienti. Usano un piccolo reattore nucleare a fissione - come quelli sui sottomarini nucleari - per riscaldare un gas (come l'idrogeno). Questo gas viene quindi accelerato attraverso l'ugello del razzo per fornire spinta. Gli ingegneri della NASA hanno calcolato che un viaggio su Marte utilizzando un motore termonucleare sarà del 20-25% più veloce di un razzo con un motore chimico.
I motori a fusione sono più del doppio più efficienti di quelli chimici. Ciò significa che forniscono il doppio della spinta per la stessa quantità di carburante, fino a 100.000 Newton di spinta. Questo è sufficiente per accelerare l'auto a 100 chilometri all'ora in circa un quarto di secondo.
Il secondo sistema è un motore a razzo elettrico nucleare (NEP). Nessuno di loro è stato ancora creato, ma l'idea è di utilizzare un potente reattore a fissione per generare elettricità, che poi alimenterà un sistema di propulsione elettrica come un motore Hall. Sarebbe molto efficace, circa tre volte più efficiente di un motore a fusione. Poiché la potenza di un reattore nucleare è enorme, diversi motori elettrici separati possono funzionare contemporaneamente e la spinta si rivelerà solida.
I motori a razzo nucleare sono forse la scelta migliore per missioni a lungo raggio: non richiedono energia solare, sono molto efficienti e forniscono una spinta relativamente elevata. Ma per tutta la loro natura promettente, il sistema di propulsione nucleare ha ancora molti problemi tecnici che dovranno essere risolti prima di essere messo in funzione.
Perché non ci sono ancora missili a propulsione nucleare?
I motori Fusion sono stati studiati dagli anni '60, ma non sono ancora volati nello spazio.
Secondo la carta degli anni '70, ogni progetto spaziale nucleare era considerato separatamente e non poteva andare oltre senza l'approvazione di un certo numero di agenzie governative e dello stesso presidente. Insieme alla mancanza di fondi per la ricerca sui sistemi missilistici nucleari, ciò ha impedito l'ulteriore sviluppo di reattori nucleari da utilizzare nello spazio.
Ma tutto è cambiato nell'agosto 2019 quando l'amministrazione Trump ha emesso un memorandum presidenziale. Pur insistendo sulla massima sicurezza dei lanci nucleari, la nuova direttiva consente ancora missioni nucleari con basse quantità di materiale radioattivo senza una complicata approvazione tra agenzie. È sufficiente la conferma da parte di un'agenzia di sponsorizzazione come la NASA che la missione è conforme alle raccomandazioni di sicurezza. Le grandi missioni nucleari seguono le stesse procedure di prima.
Insieme a questa revisione delle regole, la NASA ha ricevuto 100 milioni di dollari dal budget 2019 per lo sviluppo di motori termonucleari. La Defense Advanced Research Projects Agency sta inoltre sviluppando un motore spaziale termonucleare per operazioni di sicurezza nazionale oltre l'orbita terrestre.
Dopo 60 anni di stagnazione, è possibile che un razzo nucleare vada nello spazio entro un decennio. Questo incredibile risultato inaugurerà una nuova era di esplorazione spaziale. L'uomo andrà su Marte e gli esperimenti scientifici porteranno a nuove scoperte in tutto il sistema solare e oltre.
Iain Boyd è professore di ingegneria aerospaziale presso l'Università del Colorado a Boulder
