Le missioni spaziali della durata di diversi decenni - o anche di più - richiederanno una nuova generazione di alimentatori.
Il sistema di alimentazione è una componente vitale del veicolo spaziale. Questi sistemi devono essere estremamente affidabili e progettati per resistere ad ambienti difficili.
I dispositivi sofisticati di oggi richiedono sempre più energia: qual è il futuro dei loro alimentatori?
Uno smartphone moderno medio può durare a malapena un giorno con una singola carica. E la sonda Voyager, lanciata 38 anni fa, sta ancora trasmettendo segnali alla Terra dopo aver lasciato il sistema solare.
I computer Voyager sono in grado di eseguire 81mila operazioni al secondo, ma il processore di uno smartphone è settemila volte più veloce.
Quando si progetta un telefono, ovviamente, si presume che verrà ricaricato regolarmente ed è improbabile che si trovi a diversi milioni di chilometri dalla presa più vicina.
Non funzionerà per caricare la batteria del veicolo spaziale, che, secondo il piano, dovrebbe essere situata a cento milioni di chilometri dalla fonte attuale, non funzionerà: deve essere in grado di trasportare batterie di capacità sufficiente a bordo per funzionare per decenni o generare elettricità da sola.
Risulta essere abbastanza difficile risolvere un simile problema di progettazione.
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Alcuni dispositivi di bordo hanno bisogno di elettricità solo di tanto in tanto, ma altri devono funzionare continuamente.
Ricevitori e trasmettitori devono essere sempre accesi e, in volo con equipaggio o su una stazione spaziale con equipaggio, devono essere accesi anche i sistemi di supporto vitale e di illuminazione.
Il dottor Rao Surampudi dirige il programma di tecnologia energetica presso il Jet Propulsion Laboratory del California Institute of Technology negli Stati Uniti. Da oltre 30 anni sviluppa sistemi di alimentazione per vari veicoli della NASA.
Secondo lui, il sistema energetico di solito rappresenta circa il 30% della massa totale del veicolo spaziale. Risolve tre compiti principali:
- generazione di elettricità
- accumulo di elettricità
- distribuzione di elettricità
Tutte queste parti del sistema sono vitali per il funzionamento dell'apparato. Devono essere leggeri, resistenti e avere un'elevata "densità di energia", ovvero generare molta energia con un volume abbastanza piccolo.
Inoltre, devono essere affidabili, poiché inviare una persona nello spazio per riparare i guasti è molto poco pratico.
Il sistema non deve solo generare energia sufficiente per tutte le esigenze, ma anche farlo durante l'intero volo - e può durare per decenni, e in futuro, forse per secoli.
"La durata del progetto dovrebbe essere lunga - se qualcosa si rompe, non ci sarà nessuno da riparare", afferma Surampudi. "Il volo su Giove dura dai cinque ai sette anni, su Plutone più di 10 anni e ci vogliono dai 20 ai 30 anni per lasciare il sistema solare".
I sistemi di alimentazione di un veicolo spaziale si trovano in condizioni molto specifiche: devono rimanere operativi in assenza di gravità, nel vuoto, sotto l'influenza di radiazioni molto intense (che disabiliterebbero la maggior parte dei dispositivi elettronici convenzionali) e temperature estreme.
"Se atterri su Venere, 460 gradi saranno in mare", dice lo specialista. "E quando atterrerai su Giove, la temperatura sarà di meno 150".
I veicoli spaziali diretti al centro del sistema solare non mancano di energia raccolta dai loro pannelli fotovoltaici.
Questi pannelli hanno un aspetto leggermente diverso dai pannelli solari installati sui tetti degli edifici residenziali, ma allo stesso tempo funzionano con un'efficienza molto più elevata.
Fa molto caldo vicino al sole e i pannelli fotovoltaici possono surriscaldarsi. Per evitare ciò, i pannelli vengono allontanati dal sole.
In orbita planetaria, i pannelli fotovoltaici sono meno efficienti: generano meno energia, poiché di volta in volta sono recintati dal Sole dal pianeta stesso. In situazioni come questa, è necessario un sistema di accumulo di energia affidabile.
Soluzione atomica
Un tale sistema può essere costruito sulla base di batterie al nichel-idrogeno, che possono resistere a più di 50mila cicli di ricarica e durare più di 15 anni.
A differenza delle batterie convenzionali, che non funzionano nello spazio, queste batterie sono sigillate e possono funzionare normalmente sotto vuoto.
Man mano che ci allontaniamo dal Sole, il livello di radiazione solare diminuisce naturalmente: per la Terra è di 1374 watt per metro quadrato, per Giove - 50 e per Plutone - solo un watt per metro quadrato.
Pertanto, se il veicolo spaziale lascia l'orbita di Giove, utilizza sistemi di alimentazione atomica.
Il più comune di questi è il generatore termoelettrico a radioisotopi (RTG) utilizzato sulle sonde Voyager e Cassini e sul rover Curiosity.
Non ci sono parti in movimento in questi alimentatori. Generano energia decadendo isotopi radioattivi come il plutonio. La loro vita utile supera i 30 anni.
Se è impossibile utilizzare un RTG (ad esempio, se è necessario uno schermo troppo massiccio per il volo per proteggere l'equipaggio dalle radiazioni) e i pannelli fotovoltaici non sono adatti a causa della distanza troppo grande dal Sole, è possibile utilizzare le celle a combustibile.
Le celle a combustibile idrogeno-ossigeno sono state utilizzate nei programmi spaziali americani Gemini e Apollo. Queste cellule non possono essere ricaricate, ma rilasciano molta energia e un sottoprodotto di questo processo è l'acqua, che l'equipaggio può quindi bere.
La NASA e il Jet Propulsion Laboratory stanno lavorando per creare sistemi più potenti, ad alta intensità energetica e compatti con una lunga durata.
Ma i nuovi veicoli spaziali hanno bisogno di sempre più energia: i loro sistemi di bordo diventano costantemente complessi e consumano molta elettricità.
Ciò è particolarmente vero per le navi che utilizzano un motore elettrico, ad esempio il dispositivo a propulsione ionica, utilizzato per la prima volta sulla sonda Deep Space 1 nel 1998 e da allora è diventato molto diffuso.
I motori elettrici di solito funzionano espellendo il carburante elettricamente ad alta velocità, ma ci sono anche quelli che accelerano l'apparato attraverso l'interazione elettrodinamica con i campi magnetici dei pianeti.
La maggior parte dei sistemi energetici terrestri non sono in grado di funzionare nello spazio. Pertanto, qualsiasi nuovo schema passa attraverso una serie di test seri prima di essere installato su un veicolo spaziale.
I laboratori della NASA ricreano le dure condizioni in cui dovrà funzionare il nuovo dispositivo: viene irradiato con radiazioni e sottoposto a sbalzi di temperatura estremi.
Verso nuove frontiere
È possibile che nei voli futuri vengano utilizzati generatori di radioisotopi Stirling migliorati. Funzionano su un principio simile all'RTG, ma molto più efficiente.
Inoltre, possono essere molto piccoli, sebbene il design sia ulteriormente complicato.
Sono in fase di costruzione anche nuove batterie per il volo programmato della NASA verso l'Europa, una delle lune di Giove. Potranno operare a temperature comprese tra -80 e -100 gradi.
E le nuove batterie agli ioni di litio su cui i progettisti stanno attualmente lavorando avranno il doppio della capacità di quelle attuali. Con il loro aiuto, gli astronauti possono, ad esempio, trascorrere il doppio del tempo sulla superficie lunare prima di tornare sulla nave per ricaricarsi.
Sono inoltre in fase di progettazione nuovi pannelli solari che potrebbero raccogliere energia in modo efficiente in condizioni di scarsa illuminazione e basse temperature - questo consentirà ai dispositivi sui pannelli fotovoltaici di volare lontano dal sole.
Ad un certo punto, la NASA intende stabilire una base permanente su Marte e possibilmente su pianeti più distanti.
I sistemi energetici di tali insediamenti dovrebbero essere molto più potenti di quelli usati nello spazio oggi e progettati per un funzionamento molto più lungo.
C'è molto elio-3 sulla luna: questo isotopo si trova raramente sulla Terra ed è il combustibile ideale per le centrali termonucleari. Tuttavia, non è stato ancora possibile ottenere una stabilità sufficiente della fusione termonucleare per utilizzare questa fonte di energia nei veicoli spaziali.
Inoltre, i reattori termonucleari attualmente esistenti occupano l'area di un hangar per aerei e in questa forma è impossibile utilizzarli per i voli spaziali.
È possibile utilizzare i reattori nucleari convenzionali, specialmente nei veicoli con propulsione elettrica e nelle missioni pianificate sulla Luna e su Marte?
In questo caso, la colonia non deve gestire una fonte separata di elettricità: il reattore di una nave può svolgere il suo ruolo.
Per i voli a lungo termine, è possibile che vengano utilizzate eliche atomico-elettriche.
"La missione di deflessione degli asteroidi richiede grandi pannelli solari per avere abbastanza energia elettrica per manovrare intorno all'asteroide", dice Surampudi. "Attualmente stiamo considerando un'opzione di propulsione solare-elettrica, ma quella atomica-elettrica sarebbe più economica".
Tuttavia, è improbabile che vedremo veicoli spaziali a propulsione nucleare nel prossimo futuro.
“Questa tecnologia non è ancora sufficientemente sviluppata. Dobbiamo essere assolutamente sicuri della sua sicurezza prima di lanciare un simile dispositivo nello spazio , spiega lo specialista.
Sono necessari ulteriori test rigorosi per garantire che il reattore sia in grado di resistere ai rigori del volo spaziale.
Tutti questi promettenti sistemi energetici consentiranno ai veicoli spaziali di durare più a lungo e di volare su lunghe distanze, ma finora sono nelle prime fasi di sviluppo.
Quando i test saranno completati con successo, tali sistemi diventeranno una componente obbligatoria dei voli su Marte e oltre.
