Una classe di motori ora utilizzata per mantenere i satelliti in orbite stabili potrebbe essere adattata per alimentare sonde spaziali a lunga distanza. Credito:NASA/JPL-Caltech/Science Source
L'ingegnere aeronautico Ken Hara sta sviluppando modelli al computer per aiutare a rendere poco noto, ma ampiamente utilizzato motore di propulsione più adatto per missioni a lunga distanza.
Quando la maggior parte delle persone pensa ai viaggi nello spazio, immaginano razzi come il gigantesco Saturn V che ha inviato gli astronauti dell'Apollo sulla luna.
La maggior parte di quell'enorme razzo consisteva nel carburante che ha bruciato per lanciare un minuscolo, capsula spaziale che trasporta l'equipaggio in orbita. Là, libero dalla gravità terrestre, piccole raffiche di propulsori a combustione hanno guidato la capsula spaziale Apollo sulla luna e ritorno.
Da allora, gli scienziati hanno sviluppato tecnologie di propulsione alternative che non bruciano combustibili pesanti. Anziché, questi propulsori ionizzano gas stabili come xeno e cripton, usando l'elettricità dalle celle solari per togliere gli elettroni dagli atomi di gas per creare un flusso di ioni caricati positivamente, chiamato plasma. La navicella spinge questo plasma fuori dal suo scarico per spingersi attraverso il vuoto senza peso.
Tali propulsori, noti come motori a propulsione elettrica, o propulsori al plasma, attualmente abilitano centinaia di GPS, i satelliti militari e per le comunicazioni effettuano piccole correzioni di rotta e mantengono orbite stabili. Ma ora, gli scienziati stanno sviluppando una nuova generazione di propulsori ionici in grado di inviare veicoli spaziali in missioni a lunga distanza in tutto il sistema solare, come il modulo Deep Space 1 che ha visitato l'asteroide 9969 Braille e la cometa Borrelly, e la navicella spaziale Dawn che ha viaggiato verso la cintura di asteroidi tra Marte e Giove.
"I propulsori al plasma rappresentano il futuro dell'esplorazione spaziale, "ha detto Ken Hara, un assistente professore di aeronautica e astronautica, che sta aiutando a sviluppare modelli informatici per rendere i motori ionici più potenti, efficiente e utile.
Hara dice che i propulsori al plasma hanno una serie di vantaggi rispetto ai loro predecessori. Per i principianti, i gas ionizzati usati come propellenti nei propulsori al plasma pesano meno dei combustibili bruciati dai propulsori dell'era Apollo. Ogni chilo risparmiato dalla navicella riducendo il suo carico di carburante significa più peso per trasportare un carico utile scientifico più grande. Inoltre, una volta che un'astronave alimentata al plasma è nello spazio, può accelerare nel tempo in un modo che le navi a combustibile non possono fare, in ultima analisi, dando a questi motori leggeri anche un vantaggio in termini di velocità.
Comprendere il motivo per cui è così implica un concetto chiamato velocità di scarico, la velocità con cui un propellente esce da un motore. Un motore tradizionale a combustione di carburante brucia un enorme volume di carburante ma a una bassa velocità di scarico, una combinazione che produce una spinta tremenda. Pensa a un razzo sulla rampa di lancio, muovendosi all'inizio lentamente mentre viene sollevato da un grande ondata di fiamme, poi accelerando mentre la tremenda spinta che si genera rompe la morsa della gravità e scaglia il razzo verso il cielo.
Al contrario, un motore al plasma è progettato per un ambiente diverso, azionando un veicolo spaziale che si trova già in un ambiente a bassa o assenza di gravità. Il motore al plasma fa questo emettendo particelle ionizzate a velocità di scarico estremamente elevate, ma volumi molto bassi, spingendo l'astronave con quelli che potrebbero essere paragonati a soffi d'aria. Nel vuoto dello spazio, senza nulla che diminuisca lo slancio in avanti della navicella spaziale, questi sbuffi di spinta ionizzata permettono alla nave di prendere velocità nel tempo, andando sia più veloce che più lontano delle navicelle spaziali che bruciano carburante.
Hara, che è stato recentemente premiato dalla Electric Rocket Propulsion Society, sta creando modelli al computer per aiutare a migliorare ulteriormente i propulsori al plasma esplorando come i plasmi possono raggiungere velocità di scarico più veloci e potenti. Fare così, ha bisogno di sviluppare modelli computazionali che risolvano nuove equazioni e verifichino che siano corrette sotto una rigorosa analisi matematica. Ha quindi bisogno di convalidare questi risultati confrontando le sue previsioni matematiche con ciò che gli scienziati sperimentali dimostrano nei propulsori al plasma del mondo reale. "Siamo matematicamente sani, e i nostri modelli sono fisicamente corretti?" chiede retoricamente Hara. "Ecco dove sta la mia verità."
