Sparks

Galassia coast to coast

 By Nicholas Newman

Per chi ama sapere come funzionano veramente le cose, saghe cinematografiche di culto come Star Wars o Star Trek dicono poco su come vengano alimentate le navicelle spaziali che attraversano la nostra galassia. Quale energia, quale propulsione viene utilizzata per fare un viaggio spaziale? Le possibilità sono apparentemente infinite, e spaziano da razzi a base chimica (i più frequentemente usati oggi), energia nucleare, celle solari, motori a reazione, vele solari e sistemi di propulsione a curvatura. Nicholas Newman racconta a che punto sono esperimenti, tecnologie e materiali spaziali in un settore che, come pochi altri, alimenta la fantasia, l’innovazione e le ambizioni umane…

Non si può negare che il 2016 sia un anno entusiasmante per gli appassionati di fantascienza, con l’uscita di film come “Star Wars,” “Independence Day” and “The Martian – Sopravvissuto”. Ma per chi di noi ama sapere come funzionano veramente le cose, questi racconti romanzati dicono poco su come vengano alimentate le navicelle spaziali che attraversano la nostra galassia. Le possibilità sono apparentemente infinite, e spaziano da razzi, energia nucleare, celle solari, motori a reazione, vele solari e sistemi di propulsione a curvatura.

Nonostante l’apparente facilità con cui attraversano la galassia personaggi mitici come il capitano Kirk in “Star Trek'” o Han Solo in “Star Wars'”, la realtà scientifica dimostra che entrare nello spazio è incredibilmente difficile e fare un viaggio di 4,37 anni luce verso Alpha Centauri, il sistema stellare più vicino al nostro sistema solare, potrebbe rivelarsi un’impresa impossibile.

Se torniamo sulla terra, vedremo che continuano a prevalere i razzi a base chimica. Con regolare frequenza, Soyuz e Arianespace si accostano con rifornimenti e astronauti alla stazione spaziale internazionale, mettono satelliti in orbita o lanciano nello spazio profondo sonde dirette fino a Marte o Saturno. Le agenzie spaziali, come la NASA americana, la ROSCOSMOS russa o la ESA europea, si affidano tutte a motori per razzi a base chimica per portare i loro oggetti in orbita attorno alla terra, e la cosa veramente sorprendente è che molta della tecnologia usata ancora oggi è perfettamente familiare agli esperti di cinquant’anni fa, al russo Sergei Pavlovich Korolev come all’americano Wernher von Braun.

Perché stiamo ancora usando razzi chimici per andare nello spazio?

Quali sono le possibili alternative ai razzi chimici? In una recente intervista Tony Schönherr, ricercatore in propulsione elettrica alla ESA, spiega che la spinta dei sistemi di propulsione elettrica esistenti è troppo debole per spingere un razzo oltre la gravità terrestre. In sostanza i razzi a base chimica prevarranno finché le ricerche attuali sulle alternative (propulsione a energia irradiata, ascensori spaziali o il progetto di un aereo che possa funzionare sia in orbita che nell’atmosfera) non daranno i loro frutti.

La ricerca di nuove soluzioni di lancio

Un’opzione considerata dalla Escape Dynamics in Colorado è quella della propulsione a energia irradiata: in teoria, una stazione terrestre lancia un laser ripetitivo ad alta potenza o una scarica di micro onde ad una navicella in modo da generare una spinta permettendo all’aria circostante di dare energia alla navicella mentre questa si stacca. Questo approccio ridurrebbe il carico utile del veicolo da lancio utilizzato per il propellente del 70%, “il che significa che si avrebbe un buon 30% per struttura e carico”, spiega il presidente dell’azienda americana, Laetitia Garriott de Cayeu. “Un successo in una realtà dove i razzi chimici ne hanno solo il 10 per cento”. Ad oggi, infatti, sono stati fatti solo esperimenti limitati per capire la fisica e le necessità infrastrutturali delle stazioni terrestri, perciò è troppo presto per dire se quest’approccio possa cambiare veramente le cose.

Un’altra soluzione, quella degli ascensori spaziali, è stata presa in esame da Thoth Technology, azienda con base in Canada. In questo caso l’idea centrale è che “gli astronauti salgano di 20 km con un ascensore elettrico, da lì aerei spaziali sarebbero lanciati in orbita ritornando alla sommità della torre per rifornirsi e rimettersi in volo”, spiega Caroline Roberts, CEO di Thoth. Secondo i calcoli dell’azienda canadese l’ascensore spaziale costerebbero 30% meno del carburante usato nei razzi convenzionali, e poiché sarebbe riutilizzabile, i costi potrebbero anche essere inferiori. Nonostante l’attrattività concettuale del progetto, costruire una torre che vada dalla terra alla base dello spazio è una sfida sia tecnica che di materiali, considerando lo stato attuale della tecnologia.

Il calendario 2016 di Star Trek

Una potenziale alternativa, forse più pratica, potrebbe essere un aereo spaziale che usi il Sabre (Synergetic Air-Breathing Rocket Engine, ovvero il motore per razzi sinergetico ad aria) della BEA britannica, una nuova classe di motori aereospaziali che combina le tecnologie per jet con quelle per razzi proprio per trasportare le persone nello spazio. Il governo britannico insieme alla BAE ha già investito 113 milioni di sterline in questo progetto. Anche se, sempre secondo Schönherr, “rimane improbabile che questi sistemi sostituiranno completamente gli attuali sistemi di lancio chimici”.

Pertanto nel prossimo futuro rimarremo dipendenti dai potenti razzi chimici; un caso in questione è L’Arian 5 di Arianespace, un lanciatore capace di sollevare pesi importanti, che contiene fino a 200 tonnellate di propellente liquido nei serbatoi e altre 240 tonnellate di booster a propellente solido, arrivando così a spingere ben 800 tonnellate in un’esplosione controllata, con distacco in verticale, e a lanciare in orbita in alcuni minuti un veicolo di rifornimento per le stazioni spaziali del peso di 20 tonnellate.

L’era dei razzi chimici mono-uso, in ogni caso, sembra arrivata al capolinea con la prossima introduzione commerciale di strumenti riutilizzabili per il lancio dei razzi, quali Space X e Blue Origin. Allo stadio attuale di sviluppo, il lancio di razzi con soluzioni riutilizzabili dovrebbero diventare realtà entro la fine del decennio e la prospettiva di vedere venduti su Ebay razzi di seconda mano, non è poi così lontana!

LEGGI ANCHE: 2030 energia dallo spazio di Amanda Saint 

FormatFactoryiStock_000007155234_Large

In orbita: satelliti e navicelle spaziali  

Solitamente i satelliti usano celle solari, batterie o tecnologie nucleari per produrre l’energia necessaria a bordo. La propulsione elettrica solare (SEP), in sviluppo presso la NASA, potrebbe fornire sufficiente energia per una futura Asteroid Redirect Mission che avrebbe l’obiettivo di spingere un grande asteroide vicino alla terra ad orbitare intorno alla luna. “SEP lavora utilizzando magnetismo ed elettricità per spingere la navicella nello spazio. L’elettricità, generata dai pannelli solari della navicella, dà una carica elettrica positiva agli atomi all’interno della camera, che è attirata dal magnetismo verso la parte posteriore della navicella e poi spinta fuori dal veicolo spaziale dalla repulsione magnetica (un po’ come quando si tengono vicini i poli uguali di due calamite diverse: si respingono). Questo costante flusso di atomi che fuoriesce dalla navicella le dà la spinta necessaria per procedere nello spazio. La combinazione di energia solare e propulsione elettrica, chiamata SEP, è e sarà un’opzione sicura delle future missioni spaziali, sempre secondo Schönherr.

Foto tratta da www.qz.com

Arrivare a Marte

I razzi chimici possono arrivare fino a Marte. Tuttavia, il successo che ha avuto il lancio di 32 navicelle da parte di ROSCOSMOS tra il 1970 e il 1988, attrezzate con impianti di energia termoelettrica nucleare, ha incoraggiato le agenzie spaziali attuali a rivedere i razzi a propulsione nucleare. Sergey Kirienko, capo di Rosatom, spiega che “i motori nucleari riducono il tempo di viaggio dalla terra a Marte fino a soli 30 giorni invece di un anno e mezzo”. Inoltre, poiché la propulsione richiesta dai motori nucleari sarebbe metà di quella dei razzi chimici, si potrebbero portare pesi più grandi a velocità superiori. L’energia nucleare, poi, permette al veicolo di fare manovre durante il percorso, diversamente dai motori chimici che sono limitati a traiettorie fisse.

Sia Lockheed Martin in America che Rosatom in Russia stanno attualmente sviluppando motori alimentati ad energia nucleare, con i russi che testeranno il loro prototipo nel 2018. Se poi i motori nucleari verranno usati nelle future missioni su Marte e Plutone, questo dipenderà soprattutto dalla valutazione dei rischi e dalla familiarità con essi in quanto, come suggerisce Schönherr, “i policy makers imporranno l’uso di tecnologie note e ben testate per diminuire i rischi di fallimento”.

(EmDrive, spiegato bene)

Dalla ricerca alla fantascienza

Al contrario può succedere che le idee nate dalle ricerche spaziali vengano diffuse dalla letteratura fantascientifica, che può conquistare a sua volta l’interesse degli scienziati aerospaziali. Sul “Deep Space Nine”, in Star Trek, la navicella a vela solare o magnetica cattura la luce attraverso superfici a specchio leggere come vele per dare una spinta perpetua, che permette il viaggio da un sistema planetario ad un altro. La realtà però è un po’ diversa. Gli esperimenti fatti da The Planetary Society hanno mostrato i limiti delle vele. In particolare: la loro sensibilità alle condizioni ambientali, come il campo magnetico dei pianeti o le variazioni nel ciclo solare, molto probabilmente limiterebbero le possibilità delle missioni. In riferimento alle conoscenze tecnologiche attuali, poi, le velocità raggiungibili sarebbero piuttosto basse, rendendo queste navicelle inadatte per missioni con equipaggio.

Per quanto riguarda altri concetti basati sulla fantascienza, come i warp drives, gli hyper-drives e i reaction-less drives (quale il noto EmDrive), secondo Schönherr “o noi non abbiamo le conoscenze teoriche per sostenere che si possa trattare di strade percorribili, oppure non abbiamo le capacità tecnologiche per dimostrare che si tratti di alternative realizzabili”. E’ vero che la stessa cosa fu detta anche nel 1916 quando Albert Einstein pubblicò la sua teoria delle onde gravitazionali. Ci volle un secolo per provarne l’esistenza. E’ dunque più che probabile che il progresso nella sostituzione dei razzi chimici avverrà poco alla volta, seguendo lo stesso passo tenuto per lo sviluppo dei razzi durante tutto il secolo scorso, e non sarà invece un improvviso e repentino cambiamento come risultato di un’innovazione discontinua…

informazioni sull'autore
Nicholas Newman