La US Defense Advanced Research Projects Agency (Darpa) ha recentemente commissionato a tre società private, origine blu, Lockheed Martin e General Atomics, sviluppare razzi termici a fissione nucleare da utilizzare in orbita lunare.

Un tale sviluppo, se volato, potrebbe inaugurare una nuova era di voli spaziali. Detto ciò, è solo una delle numerose strade entusiasmanti nella propulsione a razzo. Eccone altri.

Razzi chimici

Il mezzo di propulsione standard per i veicoli spaziali utilizza razzi chimici. Ci sono due tipi principali:a combustibile solido (come i razzi a propellente solido sullo Space Shuttle), e a combustibile liquido (come il Saturn V).

In entrambi i casi, una reazione chimica è impiegata per produrre un molto caldo, gas ad alta pressione all'interno di una camera di combustione. L'ugello del motore fornisce l'unica uscita per questo gas che di conseguenza si espande fuori di esso, fornendo spinta.

La reazione chimica richiede un combustibile, come idrogeno liquido o alluminio in polvere, e un ossidante (un agente che produce reazioni chimiche) come l'ossigeno. Ci sono molte altre variabili che alla fine determinano anche l'efficienza di un motore a razzo, e scienziati e ingegneri cercano sempre di ottenere più spinta ed efficienza nei consumi da un determinato progetto.

Recentemente, la società privata SpaceX ha condotto voli di prova del suo prototipo di lanciatore Starship. Questo veicolo utilizza un "motore a combustione a stadi a flusso pieno (FFSC), "il rapace, che brucia metano per carburante e ossigeno per ossidante. Tali progetti sono stati testati dai russi negli anni '60 e dal governo degli Stati Uniti negli anni 2000, ma finora nessuno ha volato nello spazio. I motori sono molto più efficienti dal punto di vista del consumo di carburante e possono generare un rapporto spinta-peso molto più elevato rispetto ai modelli tradizionali.

Razzi termici a fissione

Il nucleo di un atomo è costituito da particelle subatomiche chiamate protoni e neutroni. Questi determinano la massa di un elemento:più protoni e neutroni, più è pesante. Alcuni nuclei atomici sono instabili e possono essere suddivisi in diversi nuclei più piccoli quando vengono bombardati con neutroni. Questo è il processo di fissione nucleare, e può rilasciare un'enorme quantità di energia. Quando i nuclei decadono, rilasciano anche più neutroni che vanno a fessurare più atomi, producendo una reazione a catena.

In un razzo termico a fissione nucleare, un gas propellente, come l'idrogeno, viene riscaldato dalla fissione nucleare ad alte temperature, creando un gas ad alta pressione all'interno della camera del reattore. Come con i razzi chimici, questo può sfuggire solo attraverso l'ugello del razzo, producendo nuovamente spinta. I razzi a fissione nucleare non sono previsti per produrre il tipo di spinta necessaria per sollevare grandi carichi utili dalla superficie della Terra nello spazio. Una volta nello spazio però, sono molto più efficienti dei razzi chimici:per una data massa di propellente, possono accelerare un veicolo spaziale a velocità molto più elevate.

I razzi a fissione nucleare non sono mai stati volati nello spazio, ma sono stati testati sul campo. Dovrebbero essere in grado di ridurre i tempi di volo tra la Terra e Marte da circa sette mesi a circa tre mesi per future missioni con equipaggio. Inconvenienti evidenti, però, comprendono la produzione di scorie radioattive, e la possibilità di un fallimento del lancio che potrebbe causare la diffusione di materiale radioattivo su una vasta area.

Una delle principali sfide ingegneristiche è quella di miniaturizzare sufficientemente un reattore in modo che si adatti a un veicolo spaziale. Esiste già una fiorente industria nella produzione di reattori a fissione compatti, compreso lo sviluppo di un reattore a fissione che è più piccolo di un essere umano adulto.

Propulsione elettrica

Un caposaldo della fantascienza, i veri azionamenti ionici generano particelle cariche (ionizzazione), accelerali usando campi elettrici e poi sparali da un propulsore. Il propellente è un gas come lo xeno, un elemento abbastanza pesante che può essere facilmente caricato elettricamente.

Mentre gli atomi di xeno carichi accelerano fuori dal propulsore, trasferiscono una quantità molto piccola di quantità di moto (il prodotto di massa e velocità) al veicolo spaziale, fornendo una spinta delicata. Mentre lento, i motori a ioni sono tra i metodi di propulsione dei veicoli spaziali più efficienti dal punto di vista del consumo di carburante, quindi potrebbe portarci più lontano. I motori ionici sono comunemente usati per il controllo dell'assetto (cambiando la direzione in cui è rivolto un veicolo spaziale) e sono stati presi in considerazione per la deorbita dei vecchi satelliti.

Gli attuali motori ionici sono alimentati da celle solari, rendendoli efficacemente alimentati a energia solare, e richiede pochissimo propellente. Sono stati utilizzati nella missione SMART-1 di Esa sulla Luna e nella missione Bepi-Colombo in rotta verso Mercurio. La NASA sta attualmente sviluppando un sistema di propulsione elettrica ad alta potenza per il Lunar Gateway, un avamposto che orbiterà intorno alla Luna.

Vele solari

Mentre la propulsione di solito richiede un propellente di qualche descrizione, un metodo più "verde" che si basa solo sulla luce del Sole stesso.

Le vele si basano sulla proprietà fisica di conservazione della quantità di moto. Sulla terra, siamo abituati a vedere questo slancio come una pressione dinamica delle particelle d'aria che soffiano in una scotta durante la navigazione, spingendo una nave in avanti. La luce è composta da fotoni, che non hanno massa, ma hanno slancio e possono trasferirlo su una vela. Poiché le energie dei singoli fotoni sono molto piccole, è necessaria una dimensione della vela estremamente grande per qualsiasi accelerazione apprezzabile.

Il guadagno di velocità dipenderà anche dalla distanza dal Sole. A Terra, la potenza ricevuta dalla luce solare è di circa 1,3 kW per metro quadrato. Se avessimo una vela grande quanto un campo da calcio, ciò equivarrebbe a 9,3 MW, fornendo un'accelerazione molto bassa, anche a un oggetto di piccola massa.

Le vele solari sono state testate dalla navicella spaziale giapponese IKAROS che ha volato con successo vicino a Venere, e la Società Planetaria Lightsail-2, che è attualmente in orbita intorno alla Terra.

Un modo per migliorare l'efficienza e ridurre le dimensioni della vela consiste nell'utilizzare un laser per spingere in avanti la navicella spaziale. I laser producono fasci di fotoni molto intensi che possono essere diretti su una vela per fornire un'accelerazione molto più elevata, ma richiederebbe di essere costruito in orbita terrestre per evitare la perdita di intensità nell'atmosfera. I laser sono stati proposti anche come mezzo per disorbitare la spazzatura spaziale:la luce del laser può rallentare un pezzo di spazzatura orbitale, che poi cadrebbe fuori dall'orbita e brucerebbe nell'atmosfera.

Lo sviluppo di razzi a fissione nucleare può entusiasmare alcuni e preoccupare altri. Però, poiché le aziende private e le agenzie spaziali nazionali si stanno sempre più impegnando per una presenza umana sostenuta nello spazio, questi mezzi di propulsione alternativi diventeranno più diffusi e avranno il potenziale per rivoluzionare la nostra nascente civiltà spaziale.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.