Il futuro dell’esplorazione spaziale prevede alcuni piani piuttosto ambiziosi per inviare missioni più lontano dalla Terra che mai. Oltre alle attuali proposte per la costruzione di infrastrutture nello spazio cis-lunare e l’invio di regolari missioni con equipaggio sulla Luna e su Marte, ci sono anche piani per inviare missioni robotiche nel sistema solare esterno, alla lunghezza focale della lente gravitazionale del nostro sole, e persino per le stelle più vicine per esplorare gli esopianeti. Il raggiungimento di questi obiettivi richiede una propulsione di prossima generazione in grado di consentire una spinta elevata e un'accelerazione costante.
Schiere mirate di laser - o energia diretta (DE) - e vele luminose sono mezzi che vengono studiati approfonditamente, come Breakthrough Starshot e Swarming Proxima Centauri. Oltre a queste proposte, un team della McGill University di Montreal ha proposto un nuovo tipo di sistema di propulsione ad energia diretta per esplorare il sistema solare. In un recente articolo, il team ha condiviso i primi risultati del loro impianto di propulsione laser-termica (LTP), il che suggerisce che la tecnologia ha il potenziale per fornire sia una spinta elevata che un impulso specifico per le missioni interstellari.
Il gruppo di ricerca è stato guidato da Gabriel R. Dube, un tirocinante di ricerca universitario presso il McGill Interstellar Flight Experimental Research Group (IFERG), e dal professore associato Andrew Higgins, il ricercatore principale dell'IFERG. A loro si sono uniti Emmanuel Duplay, un ricercatore laureato della Technische Universiteit Delft (TU Delft); Siera Riel, assistente di ricerca estiva presso l'IFERG; e Jason Loiseau, professore associato presso il Royal Military College of Canada.
Il team ha presentato i propri risultati all'AIAA Science and Technology Forum and Exposition del 2024 e in un documento apparso nel AIAA SCITECH 2024 Forum .
Higgins e i suoi colleghi proposero originariamente questo concetto in un articolo del 2022 apparso su Acta Astronautica intitolato "Progettazione di una missione di transito rapido su Marte utilizzando la propulsione laser-termica."
Come riportato all’epoca da Universe Today, l’LTP è stato ispirato da concetti interstellari come Starshot e Project Dragonfly. Tuttavia, Higgins e i suoi collaboratori della McGill erano interessati a come la stessa tecnologia potesse consentire missioni di transito rapido su Marte in soli 45 giorni e in tutto il sistema solare. Questo metodo, hanno sostenuto, potrebbe anche convalidare le tecnologie coinvolte e fungere da trampolino di lancio verso le missioni interstellari.
Come ha detto Higgins a Universe Today via e-mail, l'idea è venuta loro durante la pandemia quando non potevano entrare nel loro laboratorio:
"[I] miei studenti hanno fatto uno studio concettuale dettagliato su come potremmo utilizzare il tipo di grandi array laser previsti per il Breakthrough Starshot per una missione a breve termine nel sistema solare. Piuttosto che con un diametro di 10 km, 100- Il laser GW previsto per Breakthrough Starshot, ci siamo limitati a un laser da 10 m di diametro e 100 MW e abbiamo dimostrato che sarebbe stato in grado di fornire energia a un veicolo spaziale fino a quasi la distanza della luna riscaldando il propellente a idrogeno a 10.000 s di K, il laser consente il "Santo Graal" di elevata spinta e elevato impulso specifico."
Il concetto è simile alla propulsione termico-nucleare (NTP), che la NASA e la DARPA stanno attualmente sviluppando per le missioni di transito rapido su Marte. In un sistema NTP, un reattore nucleare genera calore che provoca l'espansione del propellente dell'idrogeno o del deuterio, che viene poi concentrato attraverso gli ugelli per generare spinta.
In questo caso, i laser a schiera di fase vengono focalizzati in una camera di riscaldamento a idrogeno, che viene poi scaricata attraverso un ugello per realizzare impulsi specifici di 3.000 secondi. Da quando Higgins e i suoi studenti sono tornati al laboratorio, ha detto, hanno tentato di verificare sperimentalmente la loro idea:
"Ovviamente, non abbiamo un laser da 100 MW alla McGill, ma ora abbiamo un laser da 3 kilowatt in laboratorio (il che è già abbastanza spaventoso) e stiamo studiando come il laser potrebbe accoppiare la sua energia a un propellente ( eventualmente idrogeno, ma per ora argon solo perché è più facile da ionizzare). Il documento dell'AIAA riporta la progettazione, la costruzione e lo "smantellamento" del nostro impianto laser da 3 kW."
Higgins e il suo team hanno costruito un apparato contenente da 5 a 20 bar di gas argon statico in base ai loro test. Sebbene il concetto finale utilizzerà gas idrogeno come propellente, per il test è stato utilizzato il gas argon perché è più facile da ionizzare. Hanno quindi acceso il laser da 3 kW in impulsi a una frequenza di 1.070 nanometri (corrispondente alla lunghezza d'onda del vicino infrarosso) per determinare la potenza di soglia necessaria per il plasma sostenuto dal laser (LSP). I risultati hanno indicato che circa l'80% dell'energia laser veniva depositata nel plasma, il che è coerente con gli studi precedenti.
I dati di pressione e spettrali acquisiti hanno rivelato anche la temperatura di picco dell’LSP con il gas di lavoro, sebbene sottolineino che sono necessarie ulteriori ricerche per risultati conclusivi. Hanno inoltre sottolineato che è necessario un apparato dedicato per condurre test sul flusso forzato e altri test LSP. Infine, il team prevede di condurre misurazioni della spinta entro la fine dell'anno per valutare quanta accelerazione (delta-v) e impulso specifico (Isp) un sistema di propulsione laser-termica può fornire per future missioni su Marte e altri pianeti del sistema solare. /P>
Se la tecnologia sarà all’altezza del compito, potremmo guardare a un sistema in grado di portare gli astronauti su Marte in settimane anziché in mesi. Altri concetti selezionati per il NIAC quest'anno includono test per valutare i sistemi di ibernazione per missioni di lunga durata in microgravità. Da sole o in combinazione, queste tecnologie potrebbero consentire missioni di transito rapido che richiedono meno merci e rifornimenti e ridurre al minimo l'esposizione degli astronauti alla microgravità e alle radiazioni.
Ulteriori informazioni: Gabriel R. Dubé et al, Plasma sostenuto da laser per la propulsione nello spazio profondo:risultati iniziali del propulsore LTP, Forum AIAA SCITECH 2024 (2024). DOI:10.2514/6.2024-2029
Fornito da Universe Today
