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    Dalla Terra a Marte in 100 giorni:la potenza dei razzi nucleari

    Concetto artistico di un razzo termico nucleare bimodale in orbita terrestre bassa. Credito:NASA

    Il sistema solare è un posto davvero grande, e ci vuole un'eternità per viaggiare da un mondo all'altro con i tradizionali razzi chimici. Ma una tecnica sviluppata negli anni '60 potrebbe fornire un modo per ridurre drasticamente i nostri tempi di viaggio:i razzi nucleari.

    Certo, lanciare un razzo alimentato da materiale radioattivo ha i suoi rischi, anche. Dovremmo tentare?

    Diciamo che volevi visitare Marte usando un razzo chimico. Vorresti decollare dalla Terra e andare in un'orbita terrestre bassa. Quindi, al momento giusto, lanceresti il ​​tuo razzo, alzando la tua orbita dal sole. La nuova traiettoria ellittica che stai seguendo si interseca con Marte dopo otto mesi di volo.

    Questo è noto come trasferimento di Hohmann, ed è il modo più efficiente che conosciamo per viaggiare nello spazio utilizzando la minor quantità di propellente e la maggior quantità di carico utile. Il problema ovviamente è il tempo che ci vuole. Durante tutto il viaggio, gli astronauti mangeranno cibo, acqua, aria, ed essere esposto alle radiazioni a lungo termine dello spazio profondo. Quindi una missione di ritorno raddoppia il fabbisogno di risorse e raddoppia il carico di radiazioni.

    Dobbiamo andare più veloci.

    Si scopre che la NASA ha pensato a cosa verrà dopo i razzi chimici per quasi 50 anni:i razzi termici nucleari. Accelerano decisamente il viaggio, ma non sono privi di rischi, ecco perché non li hai visti. Ma forse il loro tempo è qui.

    Nel 1961, La NASA e la Commissione per l'energia atomica hanno lavorato insieme all'idea della propulsione termica nucleare, o NTP. Questo è stato introdotto da Werner von Braun, che sperava che le missioni umane sarebbero volate su Marte negli anni '80 sulle ali di missili nucleari.

    Bene, ciò non è accaduto. Ma hanno eseguito con successo alcuni test di propulsione termica nucleare e hanno dimostrato che funziona.

    Un razzo chimico funziona accendendo una sorta di sostanza chimica infiammabile e quindi forzando i gas di scarico fuori da un ugello. Grazie alla terza legge del buon vecchio Newton, per ogni azione, c'è una reazione uguale e contraria:il razzo riceve una spinta nella direzione opposta dai gas espulsi.

    Un razzo nucleare funziona in modo simile. Una palla di uranio delle dimensioni di una marmo subisce la fissione, rilasciando un'enorme quantità di calore. Questo riscalda l'idrogeno a quasi 2, 500 gradi Celsius, che viene poi espulso dalla parte posteriore del razzo a velocità estremamente elevata, dando al razzo due o tre volte l'efficienza di propulsione di un razzo chimico.

    Ricordi gli otto mesi che ho menzionato per un razzo chimico per viaggiare su Marte? Un razzo termico nucleare potrebbe dimezzare il tempo di transito, forse anche a 100 giorni, il che significa meno risorse consumate dagli astronauti, e un carico di radiazione inferiore.

    E c'è un altro grande vantaggio. La spinta di un razzo nucleare potrebbe consentire missioni quando la Terra e Marte non sono perfettamente allineate. Proprio adesso, se ti manca la tua finestra, devi aspettare altri due anni, ma un razzo nucleare potrebbe darti la spinta per affrontare i ritardi dei voli.

    Illustrazione artistica del lancio dello Space Launch System, che alla fine sarà il razzo più potente mai costruito. Credito:NASA

    I primi test di razzi nucleari iniziarono nel 1955 con il Project Rover presso il Los Alamos Scientific Laboratory. Lo sviluppo chiave è stato miniaturizzare i reattori abbastanza da poter essere inseriti in un razzo. Nei prossimi anni, gli ingegneri hanno costruito e testato più di una dozzina di reattori di diverse dimensioni e potenze.

    Con il successo di Project Rover, La NASA ha messo gli occhi sulle missioni umane su Marte che avrebbero seguito gli sbarchi dell'Apollo sulla luna. A causa della distanza e del tempo di volo, decisero che i razzi nucleari sarebbero stati la chiave per rendere le missioni più capaci.

    I razzi nucleari non sono privi di rischi, Certo. Un reattore a bordo sarebbe una piccola fonte di radiazioni per l'equipaggio dell'astronauta a bordo, questo sarebbe controbilanciato dalla riduzione del tempo di volo. Lo stesso spazio profondo è un enorme pericolo di radiazioni, con la costante radiazione cosmica galattica che danneggia il DNA degli astronauti.

    Alla fine degli anni Sessanta, La NASA ha istituito il programma di applicazione del motore nucleare per veicoli a razzo, o NERVA, sviluppando le tecnologie che sarebbero diventate i razzi nucleari che avrebbero portato gli umani su Marte.

    Hanno provato più grande, razzi nucleari più potenti, nel deserto del Nevada, sfiatare il gas idrogeno ad alta velocità direttamente nell'atmosfera. Le leggi ambientali allora erano molto meno severe.

    Il primo NERVA NRX è stato infine testato per quasi due ore, con 28 minuti a piena potenza. E un secondo motore è stato avviato 28 volte e ha funzionato per 115 minuti.

    Progetto della NASA per un motore nucleare per applicazioni su veicoli a razzo (NERVA). Credito:NASA

    Alla fine, hanno testato il reattore nucleare più potente mai costruito, il reattore Phoebus-2A, in grado di generare 4, 000 megawatt di potenza, spingendo per 12 minuti.

    Sebbene i vari componenti non siano mai stati effettivamente assemblati in un razzo pronto per il volo, gli ingegneri erano convinti che un razzo nucleare avrebbe soddisfatto le esigenze di un volo su Marte. Ma poi gli Stati Uniti hanno deciso che non volevano più andare su Marte:volevamo invece lo space shuttle. Il programma è stato chiuso nel 1973, e da allora nessuno ha testato missili nucleari.

    Ma i recenti progressi tecnologici hanno reso più attraente la propulsione termica nucleare. Già negli anni '60, l'unica fonte di combustibile che potevano usare era l'uranio altamente arricchito. Ma ora, gli ingegneri pensano di cavarsela con l'uranio a basso arricchimento.

    Questo sarebbe più sicuro con cui lavorare, e consentirebbe a più strutture missilistiche di eseguire test. Sarebbe anche più facile catturare le particelle radioattive nello scarico e smaltirle correttamente. Ciò ridurrebbe i costi complessivi del lavoro con la tecnologia.

    Il 22 maggio, 2019, il Congresso degli Stati Uniti ha approvato un finanziamento di 125 milioni di dollari per lo sviluppo di razzi a propulsione termica nucleare. Sebbene questo programma non abbia alcun ruolo da svolgere nel ritorno di Artemis 2024 della NASA sulla luna, "invita la NASA a sviluppare un piano pluriennale che consenta una dimostrazione di propulsione termica nucleare, compresa la cronologia associata alla dimostrazione spaziale e una descrizione delle missioni future e dei sistemi di propulsione e alimentazione abilitati da questa capacità".

    La fissione nucleare è un modo per sfruttare la potenza dell'atomo. Certo, richiede uranio arricchito e genera scorie radioattive tossiche. Che dire della fusione, in cui gli atomi di idrogeno vengono schiacciati in elio, liberare energia?

    Illustrazione di immagine del razzo di fusione di concetto dei sistemi satellitari di Princeton. Credito:Princeton Satellite Systems

    Il sole ha compiuto la fusione, grazie alla sua enorme massa e temperatura interna, ma ingegneria sostenibile, la fusione energeticamente positiva si è dimostrata sfuggente.

    Enormi esperimenti come ITER in Europa sperano di sostenere l'energia da fusione entro il prossimo decennio circa. Dopo di che, puoi immaginare i reattori a fusione miniaturizzati al punto da poter svolgere lo stesso ruolo di un reattore a fissione in un razzo nucleare. Ma anche se gli ingegneri non riescono a ottenere reattori a fusione al punto da essere energeticamente positivi, possono ancora fornire una tremenda accelerazione per la quantità di massa.

    E forse non abbiamo bisogno di aspettare decenni. Un gruppo di ricerca del Princeton Plasma Physics Laboratory sta lavorando a un concetto chiamato Direct Fusion Drive, che pensano potrebbe essere pronto molto prima.

    Si basa sul reattore a fusione Princeton Field-Reversed Configuration sviluppato nel 2002 da Samuel Cohen. Il plasma caldo di elio-3 e deuterio è contenuto in un contenitore magnetico. L'elio-3 è raro sulla Terra, e prezioso perché tali reazioni di fusione non genereranno la stessa quantità di radiazioni pericolose o scorie nucleari di altri reattori a fusione o fissione.

    Come con il razzo a fissione, un razzo a fusione riscalda un propellente a temperature elevate e poi lo fa esplodere dal retro, producendo spinta.

    Funziona allineando un gruppo di magneti lineari che contengono e fanno girare plasma molto caldo. Le antenne intorno al plasma sono sintonizzate sulla frequenza specifica degli ioni, e creare una corrente nel plasma. La loro energia viene pompata fino al punto che gli atomi si fondono, rilasciando nuove particelle. Queste particelle vagano attraverso il campo di contenimento finché non vengono catturate dalle linee del campo magnetico e vengono accelerate fuori dal retro del razzo.

    In teoria, un razzo a fusione sarebbe in grado di fornire da 2,5 a 5 Newton di spinta per megawatt, con un impulso specifico di 10, 000 secondi:ricorda 850 dai razzi a fissione, e 450 da razzi chimici. Sarebbe anche generare l'elettricità necessaria alla navicella spaziale lontano dal sole, dove i pannelli solari non sono molto efficienti.

    Un motore a fusione diretta sarebbe in grado di trasportare una missione da 10 tonnellate su Saturno in soli due anni, o un veicolo spaziale da una tonnellata dalla Terra a Plutone in circa quattro anni. New Horizons aveva bisogno di quasi 10.

    Dato che è anche un reattore a fusione da un megawatt, fornirebbe anche energia a tutti gli strumenti della navicella quando arriverà, much more than the nuclear batteries currently carried by deep space missions like Voyager and New Horizons.

    Imagine the kinds of interstellar missions that might be on the table with this technology. And Princeton Satellite Systems isn't the only group working on systems like this. Applied Fusion Systems have applied for a patent for a nuclear fusion engine that could provide thrust to spacecraft.

    I know it's been decades since NASA seriously tested nuclear rockets as a way to shorten flight times, but it looks like the technology is back. Over the next few years, I expect to see new hardware and new tests of nuclear thermal propulsion systems. And I am incredibly excited at the possibility of actual fusion drives taking us to other worlds.


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