La Compagnia Ad Astra Rocket, una società di ingegneria del volo spaziale in Costa Rica, è dedicato allo sviluppo della tecnologia avanzata di propulsione a razzo al plasma. John B. Carnet/Bonnier Corporation Cinque. Quattro. Tre. Due. Uno. Decolla! Nel cielo spara un razzo spaziale, spostandosi rapidamente oltre la nostra atmosfera e nello spazio esterno. Nell'ultimo mezzo secolo, le persone sono passate dal guardare con stupore le stelle che brillano nel cielo notturno al vivere per mesi interi sulla Stazione Spaziale Internazionale tra i corpi celesti. E mentre gli umani hanno messo piede sulla luna, atterrare ovunque più lontano è stato riservato solo a navicelle senza equipaggio e robot.
Un posto che le persone sono molto interessate a visitare è Marte. A parte le vere sfide di atterrare e trascorrere del tempo in un luogo inospitale come il pianeta rosso, c'è il grande ostacolo per arrivarci davvero. In media, Marte si trova a circa 140 milioni di miglia (225,3 milioni di chilometri) dalla Terra. Anche quando nel punto più vicino, è ancora a circa 35 milioni di miglia (56,3 milioni di chilometri) dal nostro pianeta [fonte:St. Fleur]. L'uso dei razzi chimici convenzionali che in genere ci trasportano nello spazio richiederebbe almeno sette mesi per arrivarci, non esattamente un breve lasso di tempo [fonte:Verhovek]. C'è un modo in cui potremmo essere in grado di farlo più velocemente? Entra nel razzo al plasma!
Al posto dell'uso di carburante per missili convenzionale, scienziati e ingegneri si sono rivolti alla promessa dei razzi al plasma per spingerci verso i confini più lontani dello spazio. In questo tipo di razzo, una combinazione di campi elettrici e magnetici viene utilizzata per scomporre gli atomi e le molecole di un gas propellente in un insieme di particelle che hanno una carica positiva (ioni) o una carica negativa (elettroni). In altre parole, il gas propellente diventa un plasma.
In molte configurazioni di questo motore, viene quindi applicato un campo elettrico per espellere gli ioni dal retro del motore, che forniscono spinta al veicolo spaziale nella direzione opposta [fonte:Zyga]. Con questa tecnologia ottimizzata, un'astronave potrebbe teoricamente raggiungere una velocità di 123, 000 miglia orarie (198, 000 km/h) [fonte:Verhovek]. A quella velocità, potresti andare da New York a Los Angeles in un minuto!
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Un uomo controlla la TV LCD HD più grande del mondo a una convention a Berlino. I televisori al plasma sono ormai molto comuni. fotografia istantanea/bild Ullstein tramite Getty Images Il mondo è solitamente suddiviso in tre stati della materia:solido, liquido e gas. Quando la materia è fredda, è solido. Mentre si scalda, si trasforma in liquido. Quando viene applicato più calore, prendi gas. La storia non finisce qui, però. Man mano che aggiungi ancora più calore, ottieni - plasma! L'energia e il calore extra rompono gli atomi e le molecole neutri nel gas in ioni tipicamente caricati positivamente ed elettroni caricati negativamente. Le particelle cariche conferiscono al plasma interessanti proprietà conduttive, quindi la tecnologia al plasma viene utilizzata per realizzare tutti i tipi di articoli che usiamo ogni giorno. Chip per computer, insegne al neon, anche il rivestimento metallico all'interno di un sacchetto di patatine è creato utilizzando la tecnologia al plasma. Ed ovviamente, c'è il televisore al plasma che usa il plasma per rilasciare fotoni di luce, dandoti una visualizzazione a colori di pixel sullo schermo. Infatti, Il 99% della materia ordinaria nell'universo è allo stato di plasma [fonte:Charles].
La maggior parte delle stelle, compreso il nostro sole, sono fatti di plasma. Se è così diffuso nell'universo, perché non lo vediamo molto sulla Terra? Bene, in realtà, noi facciamo. Le luci del nord e del sud sono create dai venti solari. E cosa sono i venti solari? Plasma! OK, non tutti hanno la fortuna di vedere questi spettacolari giochi di luce, ma puoi vedere il plasma in azione durante un altro fantastico spettacolo di luci fornito dalla natura:un temporale. Mentre l'elettricità nei fulmini scorre nell'aria, fornisce così tanta energia alle molecole sul suo percorso che i gas nella scia del fulmine vengono effettivamente trasformati in plasma.
La tecnologia al plasma è stata utilizzata anche nei razzi per aiutarci a muoverci nello spazio, ed è la più promettente per portare gli umani in posti che prima potevamo solo sognare. Questi razzi devono essere nel vuoto dello spazio esterno per funzionare poiché la densità dell'aria vicino alla superficie terrestre rallenta l'accelerazione degli ioni nel plasma necessaria per creare la spinta, quindi non possiamo effettivamente usarli per il decollo dalla terra. Però, alcuni di questi motori al plasma operano nello spazio dal 1971. La NASA in genere li usa per la manutenzione della Stazione Spaziale Internazionale e dei satelliti, così come la principale fonte di propulsione nello spazio profondo [fonte:NASA].
L'astronauta e fisico costaricano Franklin Chang Diaz spiega l'evoluzione del suo progetto di motore al plasma. MAYELA LOPEZ/AFP/Getty Images Tutti i razzi al plasma funzionano secondo lo stesso tipo di principio:i campi elettrici e magnetici lavorano fianco a fianco per trasformare prima un gas - tipicamente xeno o krypton - in plasma e poi accelerare gli ioni nel plasma fuori dal motore a oltre 45, 000 miglia orarie (72, 400 km/h), creando una spinta nella direzione del viaggio desiderato [fonte:Science Alert]. Ci sono molti modi in cui questa formula può essere applicata per creare un razzo al plasma funzionante, ma ci sono tre tipi che si distinguono come i migliori e i più promettenti [fonte:Walker].
Propulsori Hall sono uno dei due tipi di motori al plasma attualmente in uso regolarmente nello spazio. In questo dispositivo, i campi elettrici e magnetici sono disposti in modo perpendicolare nella camera. Quando l'elettricità viene inviata attraverso questi campi di duello, gli elettroni iniziano a sfrecciare in tondo supervelocemente. Quando il gas propellente viene schizzato nel dispositivo, gli elettroni ad alta velocità eliminano gli elettroni dagli atomi nel gas, creando un plasma costituito dagli elettroni liberi (che trasportano cariche negative) e dagli atomi (ioni) ora caricati positivamente del propellente. Questi ioni vengono sparati fuori dal retro del motore e creano la spinta necessaria per spingere in avanti il razzo. Mentre i due processi di ionizzazione e accelerazione degli ioni avvengono per gradi, si verificano nello stesso spazio in questo motore. I propulsori Hall possono generare una quantità significativa di spinta per la potenza in ingresso utilizzata, quindi possono andare incredibilmente veloci. Ma ci sono limiti alla loro efficienza del carburante.
Quando la NASA è alla ricerca di un motore più efficiente nei consumi, si trasforma invece in motori ionici grigliati . In questo dispositivo comunemente usato, i campi elettrici e magnetici sono situati lungo le pareti della camera del motore. Quando viene applicata l'alimentazione elettrica, gli elettroni ad alta energia oscillano all'interno e lungo i campi magnetici vicino alle pareti. In modo simile al propulsore Hall, gli elettroni sono in grado di ionizzare il gas propellente in un plasma. Per eseguire il passaggio successivo della creazione della spinta, griglie elettriche sono poste all'estremità della camera per accelerare l'uscita degli ioni. In questo motore, la ionizzazione e l'accelerazione avvengono in due spazi differenti. Mentre il motore a ioni grigliato è più efficiente in termini di consumo di carburante di un propulsore Hall, il rovescio della medaglia è che non può generare la stessa spinta per unità di area. A seconda del tipo di lavoro che stanno cercando di svolgere, scienziati e ingegneri aerospaziali scelgono quale motore si adatta meglio alla missione.
Finalmente, c'è il terzo tipo di motore:VASIMR, Corto per Razzo a magnetoplasma ad impulso specifico variabile . Questo razzo, sviluppato dall'ex astronauta Franklin Chang Diaz, esiste solo in fase di test ora. In questo dispositivo, gli ioni vengono creati tramite onde radio generate da un'antenna per formare il plasma. Un'altra antenna più a valle aggiunge energia che fa ruotare gli ioni in un cerchio molto velocemente. Un campo magnetico fornisce la direzionalità in modo che gli ioni vengano rilasciati dal motore in linea retta, fornendo così la spinta. Se funziona, questo razzo avrà un'enorme gittata dell'acceleratore, qualcosa che il propulsore Hall e il motore a griglia ionica non possono ottenere altrettanto facilmente.
I razzi convenzionali sono fantastici e ci hanno portato lontano, ma hanno i loro limiti. Questi razzi funzionano anche sulla base della spinta:il motore brucia carburante, creando un gas ad alta pressione che viene forzato fuori dall'ugello del razzo ad alta velocità e il razzo viene spinto nella direzione opposta [fonte:Brain]. Carburante per missili, tuttavia è molto pesante e super-inefficiente. Non può fornire energia sufficiente per ottenere posti velocemente. Il carburante del razzo viene bruciato nello sforzo di scendere dalla terra e entrare in orbita, e quindi l'astronave è praticamente costretta a costeggiare [fonte:Verhovek].
Un razzo al plasma, d'altra parte, consuma molto meno carburante rispetto a questi motori convenzionali:100 milioni di volte in meno di carburante, infatti [fonte:Science Alert]. È così efficiente dal punto di vista del consumo di carburante che puoi passare dall'orbita terrestre all'orbita della luna con solo circa 30 galloni (113 litri) di gas [fonte:Charles]. I razzi al plasma accelerano gradualmente e possono raggiungere una velocità massima di 34 miglia (55 chilometri) al secondo in 23 giorni, che è quattro volte più veloce di qualsiasi razzo chimico [fonte:Verhovek]. Meno tempo trascorso in viaggio significa meno rischio che la nave subisca guasti meccanici e che gli astronauti siano esposti alla radiazione solare, perdita ossea e atrofia muscolare. Con VASIMR, la propulsione sarà anche teoricamente disponibile per tutta la durata del viaggio, il che significa che i cambiamenti di direzione potrebbero essere possibili in qualsiasi momento.
Per essere realistici, a questo punto, viaggiare su Marte in breve tempo è ancora molto lontano. Raggiungere questo tipo di distanze estreme richiederà molta potenza. La maggior parte dei propulsori Hall e dei motori ionici a griglia funzionano con circa 5 kilowatt di potenza. Per raggiungere i livelli di potenza che avresti bisogno di raggiungere Marte in circa 40 giorni, avresti bisogno di almeno 200 volte quella quantità [fonte:Walker]. La fonte di energia più praticabile per generare questa quantità di energia mentre si è nello spazio sono le fonti di energia nucleare integrate nel motore. A quest'ora, però, mettere una fonte di energia nucleare su un'astronave che facciamo esplodere dalla terra nello spazio rappresenta una minaccia eccessiva di esposizione alle radiazioni in caso di incidente.
Quindi la fonte di energia per raggiungere quelle distanze rimane una grande sfida. Per non parlare dell'incertezza su come il corpo umano reagirebbe al viaggio di 34 miglia (54 chilometri) al secondo (al contrario delle 4,7 miglia o 7,5 chilometri al secondo che gli astronauti viaggiano per raggiungere l'orbita terrestre inferiore nei razzi convenzionali) [fonti:Verhovek , Gruppo di ragionamento qualitativo della Northwestern University]. Ma in teoria, dato abbastanza potere, questi motori hanno la capacità di raggiungere Marte in circa 40 giorni, un'impresa che non avremmo osato sognare possibile solo 50 anni fa.
Pubblicato originariamente:29 settembre 2016
Prima ho letto "Il marziano, " e ora ho scritto questo articolo. Non sono mai stato così entusiasta di Marte! Non sono sicuro che vorrei andarci io stesso, ma più potere agli astronauti che un giorno potranno camminare sul pianeta rosso!
