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    Come funzionerà la propulsione elettromagnetica?
    La propulsione elettromagnetica potrebbe portarci all'eliopausa a una velocità irraggiungibile dai veicoli spaziali convenzionali. Fonte:NASA

    Per decenni, gli unici mezzi per viaggiare nello spazio sono stati i motori a razzo che funzionano a propulsione chimica. Ora, all'inizio del 21° secolo, gli ingegneri aerospaziali stanno escogitando modi innovativi per portarci sulle stelle, compresa la propulsione leggera, propulsione a fusione nucleare e propulsione ad antimateria. Viene proposto anche un nuovo tipo di veicolo spaziale privo di qualsiasi propellente. Questo tipo di navicella spaziale, che verrebbe sobbalzato nello spazio da elettromagneti, potrebbe portarci più lontano di uno qualsiasi di questi altri metodi.

    Quando raffreddato a temperature estremamente basse, gli elettromagneti mostrano un comportamento insolito:per i primi nanosecondi dopo l'applicazione dell'elettricità, vibrano. David Goodwin , un responsabile del programma presso l'Ufficio per le alte energie e la fisica nucleare del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti, propone che se questa vibrazione può essere contenuta in una direzione, potrebbe fornire una scossa sufficiente per inviare veicoli spaziali più lontano e più velocemente nello spazio rispetto a qualsiasi altro metodo di propulsione in fase di sviluppo.

    Goodwin è stato invitato a presentare la sua idea a una conferenza congiunta sulla propulsione l'8 luglio, 2001, a Salt Lake City, Utah. In questa edizione di Come funzioneranno le cose? , vedrai come funziona il sistema di propulsione elettromagnetica di Goodwin e come potrebbe inviare veicoli spaziali in profondità nello spazio.

    Sobbalzando nello spazio

    Il cuore del sistema è il super-raffreddato, elettromagnete a solenoide e la piastra metallica che provoca un'asimmetria nel campo magnetico.

    Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) in genere non si occupa di sviluppare sistemi di propulsione per la NASA, ma lavora continuamente su magneti superconduttori migliori e molto rapidamente, ad alta potenza interruttori a stato solido . A metà degli anni '90, Goodwin ha presieduto una sessione per il Breakthrough Propulsion Physics Project della NASA, che sta lavorando per progettare sistemi di propulsione privi di propellente, utilizzano un sistema ad altissima energia e possono eventualmente superare l'inerzia.

    "Sembrava che ci dovesse essere un modo per utilizzare questa tecnologia che [gli scienziati del DOE] stavano sviluppando per aiutare la NASA a raggiungere i propri obiettivi, e fondamentalmente è scaturito da quello, " Goodwin ha detto. Ciò che è scaturito dalla ricerca del DOE è stata l'idea di Goodwin per un sistema di propulsione spaziale che utilizza super-raffreddamento, magneti superconduttori che vibrano 400, 000 volte al secondo. Se questo rapido impulso può essere diretto in una direzione, potrebbe creare un sistema di propulsione spaziale molto efficiente con la capacità di raggiungere velocità dell'ordine di una frazione dell'1% della velocità della luce.

    Durante i primi 100 nanosecondi (miliardesimi di secondo) dell'accelerazione di un elettromagnete, l'elettromagnete è in a stato non stazionario che gli permette di pulsare molto rapidamente. Dopo che si è intensificato, il campo magnetico raggiunge uno stato stazionario e non si verificano pulsazioni. Goodwin descrive l'elettromagnete che sta usando come un solenoide , che è fondamentalmente un filo magnetico superconduttore avvolto attorno a un cilindro di metallo. L'intera struttura avrà un diametro di 1 piede (30,5 cm), un'altezza di 3 piedi (91,4 cm) e un peso di 55,12 libbre (25 kg). Il filo utilizzato per questo sistema di propulsione è un lega niobio-stagno . Molti di questi trefoli verranno avvolti in un cavo. Questo elettromagnete viene quindi super-raffreddato con elio liquido a 4 gradi Kelvin (-452,47 F / -269,15 C).

    Per far vibrare il magnete, devi causare un'asimmetria nel campo magnetico. Goodwin prevede di introdurre deliberatamente a piastra metallica nel campo magnetico per migliorare il movimento vibrante. Questo piatto sarebbe fatto di rame, alluminio o ferro. Le piastre in alluminio e rame sono migliori conduttori e hanno un maggiore effetto sul campo magnetico. La piastra verrebbe caricata e isolata dal sistema per creare il asimmetria . Quindi la piastra sarebbe stata prosciugata di elettricità nei pochi microsecondi (milionesimi di secondo) prima che il magnete potesse oscillare nella direzione opposta.

    "Ora, il trucco qui è, possiamo usare questa condizione di stato non stazionario in modo tale che si muova solo in una direzione?" ha detto Goodwin. "Ed è qui che è molto incerto che ciò possa essere fatto. Ecco perché vorremmo fare un esperimento per scoprirlo." Insieme alla collaborazione di Boeing, Goodwin sta cercando finanziamenti dalla NASA per eseguire un simile esperimento.

    La chiave del sistema è il interruttore a stato solido che mediano l'elettricità che viene inviata dall'alimentatore all'elettromagnete. Questo interruttore fondamentalmente accende e spegne l'elettromagnete 400, 000 volte al secondo. Un interruttore a stato solido assomiglia a un chip di computer sovradimensionato:immagina un microprocessore delle dimensioni di un disco da hockey. Il suo compito è quello di prendere il potere stazionario e convertirlo in un molto rapido, impulso ad alta potenza 400, 000 volte al secondo a 30 ampere e 9, 000 volt.

    Nella sezione successiva, imparerai da dove il sistema trae energia e come potrebbe inviare futuri veicoli spaziali oltre il nostro sistema solare.

    Oltre il nostro sistema solare

    Anche il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti sta lavorando ai piani per un reattore spaziale nucleare per la NASA. Goodwin ritiene che questo reattore potrebbe essere utilizzato per alimentare il sistema di propulsione elettromagnetica. Il DOE sta lavorando per ottenere finanziamenti dalla NASA, e un reattore da 300 kilowatt potrebbe essere pronto entro il 2006. Il sistema di propulsione sarebbe configurato per convertire la potenza termica generata dal reattore in energia elettrica.

    "Per lo spazio profondo, Marte e oltre, hai praticamente bisogno di diventare nucleare se hai intenzione di spostare qualsiasi massa, "Ha detto Goodwin.

    Il reattore genererà energia attraverso il processo di fissione nucleare indotta, che genera energia dividendo gli atomi (come gli atomi di uranio-235). Quando un singolo atomo si divide, rilascia grandi quantità di calore e radiazioni gamma. Una libbra (0,45 kg) di uranio altamente arricchito, come quello usato per alimentare un sottomarino nucleare o una portaerei nucleare, è pari a circa 1 milione di galloni (3,8 milioni di litri) di benzina. Una libbra di uranio ha le dimensioni di una palla da baseball, quindi potrebbe alimentare un veicolo spaziale per lunghi periodi di tempo senza occupare molto spazio su di esso. Questo tipo di energia nucleare, veicoli spaziali a propulsione elettromagnetica sarebbero in grado di percorrere distanze incredibilmente grandi.

    L'energia termica di un reattore nucleare potrebbe essere convertita in elettricità per alimentare il veicolo spaziale.

    "Non potresti arrivare alla stella più vicina, ma potresti guardare le missioni per l'eliopausa, " Goodwin ha detto. "Se ha funzionato molto bene, potrebbe raggiungere velocità di una frazione dell'1% della velocità della luce. Anche a quello, ci vorrebbero centinaia di anni per raggiungere la stella più vicina, che è ancora impraticabile".

    Il eliopausa è il punto in cui il vento solare proveniente dal sole incontra il vento solare interstellare creato dalle altre stelle. Si trova a circa 200 unità astronomiche (AU) dal sole (la posizione esatta dell'eliopausa è sconosciuta). Un AU è uguale alla distanza media dal sole alla Terra, o circa 93 milioni di miglia (150 milioni di km). Per confronto, Plutone dista 39,53 UA dal sole.

    Per muovere le persone, dovrebbe essere costruito un dispositivo molto più grande, ma il diametro di 1 piede, L'elettromagnetico alto 3 piedi potrebbe spingere piccolo, astronave senza equipaggio come una sonda interstellare a distanze molto lontane. Il sistema è molto efficiente, secondo Goodwin, e mette molta potenza attraverso un superconduttore. La domanda è se gli scienziati possono convertire quella potenza in propulsione senza distruggere il magnete. La rapida vibrazione porterebbe probabilmente il magnete al limite della sua forza.

    Gli scettici di un tale sistema dicono che tutto ciò che Goodwin farà è far vibrare il magnete molto rapidamente, ma non andrà da nessuna parte. Goodwin ammette che non ci sono ancora prove che il suo sistema di propulsione funzioni. "È altamente speculativo, e nei miei giorni più selvaggiamente ottimisti, Penso che ci sia una possibilità su 10 che possa funzionare, " disse Goodwin. Naturalmente, 100 anni fa, la gente credeva che avessimo ancora meno possibilità di arrivare nello spazio.

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