I sistemi di alimentazione (alimentazione, se è più semplice, perché anche le macchine hanno bisogno di mangiare qualcosa) sono una parte importante del veicolo spaziale. Devono funzionare in condizioni estreme ed essere estremamente affidabili. Tuttavia, con la domanda energetica in continua crescita dei veicoli spaziali complessi, avremo bisogno di nuove tecnologie in futuro. Le missioni che dureranno per decenni richiederanno una nuova generazione di alimentatori. Quali opzioni?
Gli ultimi telefoni cellulari riescono a malapena a sopravvivere un giorno senza dover essere collegati a una presa di corrente. Ma la sonda Voyager, lanciata 38 anni fa, ci invia ancora informazioni da oltre il sistema solare. Le sonde Voyager sono in grado di elaborare in modo efficiente 81.000 istruzioni al secondo, ma in media gli smartphone sono 7.000 volte più veloci.
I tuoi telefoni cellulari, ovviamente, sono nati per essere ricaricati regolarmente ed è improbabile che si trovino a diversi milioni di chilometri dalla presa più vicina. Non è pratico ricaricare un veicolo spaziale che si trova a 100 milioni di chilometri dalla stazione più vicina. Invece, un veicolo spaziale deve essere in grado di immagazzinare o generare energia sufficiente per navigare nello spazio per decenni. E questo, come si è scoperto, è difficile da organizzare.
Mentre alcuni sistemi di bordo richiedono solo occasionalmente energia, altri devono essere costantemente in funzione. Transponder e ricevitori devono essere attivi in ogni momento e, nel caso di un volo con equipaggio o di una stazione spaziale, devono funzionare anche i sistemi di supporto vitale e di illuminazione.
Il dottor Rao Surampudi è il responsabile del programma Power Technology presso il Jet Propulsion Laboratory presso il California Institute of Technology. Da oltre 30 anni sviluppa sistemi di alimentazione per vari veicoli spaziali della NASA.
Secondo Surampudi, i sistemi di alimentazione dei veicoli spaziali rappresentano circa il 30% della massa di trasporto e possono essere suddivisi in tre importanti sottogruppi:
produzione di energia;
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accumulo di energia;
gestione e distribuzione dell'energia
Questi sistemi sono fondamentali per il funzionamento del veicolo spaziale. Devono avere una massa bassa, vivere a lungo ed essere “energeticamente densi”, cioè produrre molta energia da volumi relativamente piccoli. Devono anche essere abbastanza affidabili, perché alcune cose nello spazio sarebbero quasi irrealistiche o poco pratiche da risolvere.
Questi sistemi non devono solo essere in grado di fornire energia a tutte le esigenze di bordo, ma anche farlo durante l'intera missione, alcune delle quali potrebbero durare decine o centinaia di anni.
"L'aspettativa di vita deve essere lunga, perché se qualcosa va storto, non puoi risolverlo", dice Surampudi. "Ci vorranno dai cinque ai sette anni per arrivare a Giove, più di dieci anni a Plutone, ma lasciare il sistema solare è di 20-30 anni".
A causa dell'ambiente unico in cui operano, i sistemi di alimentazione del veicolo spaziale devono essere in grado di funzionare a gravità zero e sotto vuoto, oltre a resistere a radiazioni colossali (di solito, l'elettronica non funziona in tali condizioni). "Se atterri su Venere, le temperature possono raggiungere i 460 gradi Celsius, ma su Giove possono scendere fino a -150 gradi".
La navicella, che si sta dirigendo verso il centro del nostro sistema solare, riceverà molta energia solare per i suoi pannelli fotovoltaici. I pannelli solari dei veicoli spaziali possono sembrare normali pannelli solari per le nostre case, ma sono progettati per funzionare in modo più efficiente che a casa.
L'improvviso aumento della temperatura dovuto alla vicinanza al sole può anche causare il surriscaldamento dei pannelli solari. Ciò viene mitigato ruotando i pannelli solari lontano dal sole, che limita l'esposizione ai raggi intensi.
Quando un veicolo spaziale entra nell'orbita di un pianeta, le celle solari diventano meno efficienti; non possono generare molta energia a causa delle eclissi e del passaggio attraverso l'ombra del pianeta. È necessario un sistema di immagazzinamento dell'energia affidabile.
Gli atomi rispondono
Un tale tipo di sistema di accumulo di energia sono le batterie al nichel-idrogeno, che possono essere ricaricate più di 50.000 volte e hanno una durata di oltre 15 anni. A differenza delle batterie commerciali, che non funzionano nello spazio, queste batterie sono sistemi ermeticamente sigillati che possono funzionare sotto vuoto.
Quando voli via dal Sole, la radiazione solare diminuisce gradualmente da 1.374 W / m2 intorno alla Terra a 50 W / m2 vicino a Giove, mentre Plutone ammonta già a circa 1 W / m2. Pertanto, quando una navicella spaziale vola fuori dall'orbita di Giove, gli scienziati si rivolgono a sistemi atomici per fornire energia alla navicella.
Il tipo più comune sono i generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG in breve), che sono stati utilizzati su Voyager, Cassini e il rover Curiosity. Sono dispositivi a stato solido che non hanno parti in movimento. Generano calore durante il decadimento radioattivo di elementi come il plutonio e hanno una durata di oltre 30 anni.
Quando l'uso di un RTG non è possibile - ad esempio, se il peso della schermatura necessaria a proteggere l'equipaggio rende il veicolo poco pratico - e la distanza dal Sole preclude l'uso di pannelli solari, allora le celle a combustibile vengono girate.
Le celle a combustibile idrogeno-ossigeno sono state utilizzate durante le missioni spaziali Apollo e Gemini. Sebbene le celle a combustibile idrogeno-ossigeno non possano essere ricaricate, hanno un'elevata energia specifica e non lasciano altro che acqua da bere per gli astronauti.
La ricerca in corso da parte della NASA e del JPL consentirà ai futuri sistemi di alimentazione di generare e immagazzinare più energia utilizzando meno spazio e per un tempo più lungo. Tuttavia, i nuovi veicoli spaziali richiedono sempre più riserve poiché i loro sistemi di bordo diventano più complessi e affamati di energia.
L'elevato fabbisogno energetico è particolarmente vero quando il veicolo spaziale utilizza un sistema di propulsione elettrica come il motore a ioni, consegnato per la prima volta a Deep Space 1 nel 1998 e ancora utilizzato con successo sui veicoli spaziali. I sistemi di propulsione elettrica di solito espellono il carburante con l'elettricità ad alta velocità, ma altri usano corde elettrodinamiche che interagiscono con i campi magnetici del pianeta per muovere la navicella.
La maggior parte dei sistemi energetici sulla Terra non funzionerà nello spazio. Pertanto, qualsiasi nuovo sistema di alimentazione deve essere accuratamente testato prima di essere installato su un veicolo spaziale. La NASA e il JPL stanno usando i loro laboratori per simulare le dure condizioni in cui opererà questa nuova tecnologia, bombardando nuovi componenti e sistemi con radiazioni ed esponendoli a temperature estreme.
Vita extra
I generatori di radioisotopi Stirling sono attualmente in fase di preparazione per future missioni. Sulla base degli RTG esistenti, questi generatori sono molto più efficienti dei loro fratelli termoelettrici e possono essere molto più piccoli, anche se con una disposizione più complessa.
Nuovi tipi di batterie sono inoltre in fase di sviluppo per la prevista missione della NASA in Europa (una delle lune di Giove). Devono funzionare in un intervallo di temperatura compreso tra -80 e -100 gradi Celsius. È allo studio la possibilità di realizzare batterie agli ioni di litio avanzate con il doppio dell'energia immagazzinata. Potrebbero consentire agli astronauti di trascorrere il doppio del tempo sulla luna prima che le batterie si esauriscano.
Sono in fase di sviluppo nuovi pannelli solari che potranno operare in condizioni di intensità luminosa e temperature ridotte, ovvero la navicella potrà operare ad energia solare più lontana dal Sole.
Un giorno la NASA deciderà finalmente di costruire una base permanente su Marte con persone, e forse su un altro pianeta. L'agenzia avrà bisogno di sistemi di generazione di energia molto più potenti di quelli esistenti.
La luna è ricca di elio-3, un elemento raro sulla Terra che potrebbe essere un combustibile ideale per la fusione nucleare. Tuttavia, finora una tale sintesi non è considerata abbastanza stabile o affidabile da costituire la base per l'alimentazione del veicolo spaziale. Inoltre, un tipico reattore a fusione, come un tokamak, ha le dimensioni di una casa e non si adatta a un veicolo spaziale.
E i reattori nucleari che sarebbero perfetti per veicoli spaziali alimentati elettricamente e missioni pianificate per atterrare sulla Luna e su Marte? Invece di portare un sistema di alimentazione separato alla colonia, potrebbe essere utilizzato il generatore nucleare del veicolo spaziale.
I veicoli spaziali con un tipo di motore elettrico nucleare sono considerati per missioni a lungo termine in futuro. "Una missione di reindirizzamento di un asteroide richiederà potenti pannelli solari che forniscano una propulsione elettrica sufficiente per consentire al veicolo spaziale di manovrare attorno all'asteroide", dice Surampudi. "Ad un certo punto stavamo per lanciarlo sull'energia solare, ma con il nucleare tutto sarà molto più economico".
Tuttavia, non vedremo veicoli spaziali a propulsione nucleare per molti anni. "La tecnologia non è ancora maturata", dice Surampudi. "Dobbiamo assicurarci che siano al sicuro dopo il lancio". Dovranno sottoporsi a test rigorosi per dimostrare se è sicuro esporre tali installazioni nucleari ai duri test dello spazio ".
I nuovi sistemi di approvvigionamento energetico consentiranno al veicolo spaziale di funzionare più a lungo e viaggiare più lontano, ma sono ancora solo all'inizio del loro sviluppo. Una volta testati, diventeranno componenti critici per le missioni con equipaggio su Marte e oltre.
