Veicoli spaziali a propulsione nucleare: perché i sogni dei razzi atomici sono tornati – Physics World

<a href="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-fancybox data-src="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-caption="Verso il nucleare Il razzo americano DRACO utilizzerà il calore di un reattore a fissione per spingersi nello spazio. (Per gentile concessione: Lockheed Martin)”>

Nel 1914 HG Wells pubblicò Il mondo liberato, un romanzo basato sull'idea che un giorno il radio potrebbe alimentare le astronavi. Wells, che conosceva il lavoro di fisici come Ernest Rutherford, sapeva che il radio poteva produrre calore e immaginò che potesse essere utilizzato per far girare una turbina. Il libro avrebbe potuto essere un'opera di finzione, ma Il mondo liberato prevedeva correttamente il potenziale di quelle che si potrebbero chiamare “astronavi atomiche”.

L’idea di utilizzare l’energia nucleare per i viaggi spaziali prese piede negli anni ’1950 quando l’opinione pubblica – dopo aver assistito agli orrori di Hiroshima e Nagasaki – si convinse gradualmente dell’utilità dell’energia nucleare per scopi pacifici. Grazie a programmi come quello americano Atomi per la Pace, la gente cominciò a capire che l’energia nucleare poteva essere utilizzata per l’energia e i trasporti. Ma forse l’applicazione più radicale risiede nel volo spaziale.

Tra i più forti sostenitori dei viaggi spaziali a propulsione nucleare c'era l'eminente fisico matematico Freeman Dyson. Nel 1958 prese un anno sabbatico dall'Institute of Advanced Study di Princeton per lavorare alla General Atomics di San Diego su un progetto dal nome in codice Orion. Nato da un'idea di Ted Taylor – un fisico che aveva lavorato al progetto della bomba atomica di Manhattan a Las Alamos – Progetto Orion mirava a costruire un'astronave da 4000 tonnellate che avrebbe utilizzato 2600 bombe nucleari per spingersi nello spazio.

Sganciare bombe atomiche dal retro di un veicolo spaziale sembra una follia dal punto di vista ambientale, ma Dyson ha calcolato che “solo” 0.1–1 americani contrarrebbero il cancro con questo metodo. Il progetto è stato sostenuto anche da un esperto di missili Wernher von Braune furono effettuati una serie di voli di prova non nucleari. Per fortuna, il 1963 Trattato sul divieto parziale degli esperimenti nucleari pose fine al Progetto Orion, e lo stesso Dyson in seguito ritirò il suo sostegno ai veicoli spaziali atomici dopo aver riconosciuto tardivamente i loro rischi ambientali.

Nonostante la conclusione del Progetto Orion, il fascino della propulsione nucleare non è mai realmente scomparso (vedi riquadro “Viaggi spaziali nucleari: una breve storia”) e ora sta godendo di una sorta di rinascita. Invece di usare bombe atomiche, tuttavia, l’idea è quella di trasferire l’energia da un reattore a fissione nucleare a un combustibile propellente, che verrebbe riscaldato a circa 2500 K ed espulso tramite un ugello in un processo chiamato “propulsione termica nucleare” (NTP). . In alternativa, l'energia di fissione potrebbe ionizzare un gas che verrebbe espulso dalla parte posteriore del veicolo spaziale, la cosiddetta “propulsione elettrica nucleare” (NEP).

Quindi, i viaggi spaziali con propulsione nucleare sono una prospettiva realistica e, in tal caso, quale tecnologia vincerà?

Spinta nucleare

La maggior parte dei razzi convenzionali sono alimentati da normali combustibili chimici. IL Razzo di Saturno V. che portò gli astronauti sulla Luna alla fine degli anni ’1960 e all’inizio degli anni ’1970, ad esempio, utilizzavano combustibili liquidi, mentre i razzi che fallirono in modo così spettacolare durante il lancio dello Space Shuttle sfidante nel 1986 conteneva combustibile solido.

Più recentemente, I razzi Falcon di Space X, ad esempio, hanno utilizzato una miscela di cherosene e ossigeno. Il problema è che tutti questi propellenti hanno una “densità di energia” (energia immagazzinata per unità di volume) relativamente piccola e un basso “impulso specifico” (l’efficienza con cui possono generare spinta). Ciò significa che la spinta complessiva del razzo – l'impulso specifico moltiplicato per la portata massica dei gas di scarico e la gravità terrestre – è bassa.

I propellenti chimici possono quindi portarti solo fino a un certo punto, con la Luna che rappresenta il limite tradizionale. Per raggiungere pianeti distanti e altre destinazioni dello “spazio profondo”, i veicoli spaziali di solito sfruttano l’attrazione gravitazionale di più pianeti diversi. Tali viaggi sono, tuttavia, tortuosi e richiedono molto tempo. La missione Juno della NASA, ad esempio, era necessaria cinque anni per arrivare su Giove, mentre la sonda Voyager impiegò più di 30 anni per raggiungere Giove margine del sistema solare. Tali missioni sono inoltre limitate da finestre di lancio strette e poco frequenti.

Un veicolo spaziale nucleare utilizzerebbe invece l’energia di fissione per riscaldare un combustibile (figura 1): molto probabilmente idrogeno liquido immagazzinato criogenicamente, che ha una massa molecolare bassa e un elevato calore di combustione. “La propulsione nucleare, sia elettrica che termica, potrebbe estrarre più energia da una data massa di combustibile di quanto sia possibile con la propulsione basata sulla combustione”, afferma Dale Tommaso, ex direttore associato del Marshall Space Flight Center della NASA, ora presso l'Università dell'Alabama a Huntsville.

Thomas afferma che i sistemi di propulsione chimica più efficienti di oggi possono raggiungere un impulso specifico di circa 465 secondi. L'NTP, al contrario, può avere un impulso specifico di quasi 900 secondi a causa della maggiore densità di potenza delle reazioni nucleari. Combinato con un rapporto spinta-peso molto più elevato, NTP potrebbe portare un razzo su Marte in soli 500 giorni, anziché 900.

"Il rapporto spinta-peso è fondamentale perché determina la capacità di accelerazione del veicolo spaziale, che è particolarmente critica durante le fasi chiave della missione, come la fuga dalla gravità terrestre o le manovre nello spazio profondo", afferma Mauro Augelli, capo dei sistemi di lancio presso l'Agenzia spaziale britannica. “L’impulso specifico, d’altra parte, è una misura dell’efficacia con cui un razzo utilizza il suo propellente”.

La propulsione nucleare, elettrica o termica, potrebbe estrarre più energia da una data massa di combustibile di quanto sia possibile con la propulsione basata sulla combustione

Dale Thomas, Università dell'Alabama a Huntsville

In sostanza, per una data quantità di propellente, un veicolo spaziale a propulsione nucleare potrebbe viaggiare più velocemente e sostenere la sua spinta per periodi più lunghi rispetto a un razzo chimico. Sarebbe quindi fantastico per le missioni con equipaggio su Marte: non solo gli astronauti avrebbero un viaggio più veloce, ma di conseguenza sarebbero esposti a meno radiazioni cosmiche. “Inoltre, missioni di durata più breve riducono le sfide logistiche e di supporto vitale, rendendo l’esplorazione dello spazio profondo più fattibile e sicura”, aggiunge Augelli.

Ma l’energia nucleare non significa solo ridurre i tempi di viaggio. Anche la NASA ha un programma dedicato a sua Centro di ricerca Glenn a Cleveland, Ohio, per utilizzare la fissione nucleare – anziché l’energia solare o i combustibili chimici – per alimentare i veicoli spaziali una volta raggiunta la loro destinazione. "L'energia nucleare offre vantaggi unici per operare in ambienti estremi e regioni dello spazio dove i sistemi solari e chimici sono inadeguati o impossibili come fonti di energia per un funzionamento prolungato", afferma il responsabile del programma Lindsay Kaldon.

Di nuovo in azione

Nel 2020 il governo degli Stati Uniti ha riportato saldamente all’ordine del giorno i veicoli spaziali nucleari assegnando quasi $ 100 milioni a tre aziende: General Atomics, Lockheed Martin e Blue Origin. Utilizzeranno i soldi per lavorare sul Razzo dimostrativo per operazioni agili cislunari (DRACO), finanziato tramite il DARPA agenzia di ricerca del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. Nella prima fase, le società mireranno a dimostrare che NTP può essere utilizzato per far volare un razzo sopra l'orbita terrestre bassa, con DARPA che mira a rapporti spinta-peso alla pari con i sistemi di razzi chimici esistenti.

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Tabitha Dodson, responsabile del programma DARPA per DRACO, ritiene che il successo del lancio e del volo di un reattore spaziale nucleare da parte del programma DRACO rivoluzionerebbe il volo spaziale. "A differenza dei sistemi chimici odierni, che hanno raggiunto un limite nella possibilità di evolversi, si teorizza che le tecnologie nucleari si evolvano verso sistemi come la fusione e oltre", afferma. “I veicoli spaziali evoluti per essere manovrati e alimentati da reattori nucleari consentiranno all’umanità di andare più lontano, con maggiori possibilità di sopravvivenza e successo per qualsiasi tipo di missione”.

Nel programma DRACO, General Atomics progetterà il reattore NTP e redigerà un progetto per un sottosistema di propulsione, mentre Blue Origin e Lockheed Martin progetteranno il veicolo spaziale stesso. Il reattore a fissione utilizzerebbe uno speciale uranio a basso arricchimento ad alto dosaggio (HALEU), che può essere prodotto utilizzando combustibile riciclato dai reattori nucleari esistenti. Contiene solo il 20% di uranio arricchito, e non è adatto per essere trasformato in armi nucleari.

Il reattore non sarebbe stato acceso (cioè sarebbe diventato critico) finché il velivolo non avesse raggiunto un'orbita “sicura per il nucleare”. Nell’improbabile eventualità di un’emergenza, qualsiasi contaminazione verrebbe, in altre parole, dispersa nello spazio senza alcun danno. Lockheed Martin ha già unito le forze con Tecnologie BWX di Lynchburg, Virginia, per sviluppare il reattore e produrre il combustibile HALEU. BWX afferma che un razzo DRACO potrebbe essere lanciato non appena 2027.

Motori a razzo a respirazione d'aria: il futuro del volo spaziale

Altrove, ricercatori dell’Idaho National Laboratory negli Stati Uniti stanno aiutando la NASA a sviluppare e testare i materiali necessari per un razzo nucleare Test del reattore transitorio (TREAT) struttura vicino a Idaho Falls. Già l'anno scorso hanno effettuato un giro di prova per convalidare i modelli computerizzati e testare un nuovo sensore e una capsula sperimentale. A lungo termine, l’obiettivo è identificare quali materiali, strutture composite e composti di uranio funzionano meglio nelle condizioni estremamente calde di un reattore NTP.

Il calore del reattore riscalderebbe il combustibile a idrogeno, che fornisce il più grande cambiamento di velocità – quello che gli scienziati missilistici chiamano Δv – per una data massa. Lo svantaggio dell’idrogeno è che ha una bassa densità e il razzo avrebbe bisogno di serbatoi di grandi dimensioni. Altri propellenti, come l'ammoniaca, hanno un Δ inferiorev per chilogrammo di propellente, ma sono molto più densi. A Huntsville, Thomas ha dimostrato che l’ammoniaca sarebbe il combustibile ideale per portare gli astronomi su Marte dalla NASA Gateway lunare – una stazione spaziale che orbiterebbe attorno alla Luna.

Avendo pubblicato una revisione della tecnologia NTP per l’American Institute of Aeronautics and Astronautics nel 2020, Thomas ha concluso che i normali sistemi NTP, che offrono molta spinta per brevi viaggi di circa 50 minuti, saranno ideali per i sorvoli e le missioni di rendezvous. Ma esistono anche sistemi “bimodali”, che combinano NTP e NEP (vedi box “Le sfide della propulsione elettrica nucleare”). Il primo fornisce rapidi scatti di spinta elevata mentre il secondo produce una spinta bassa per periodi più lunghi, perfetto per lunghe missioni di andata e ritorno.

Kate Haggerty Kelly, direttore del settore spazio e ingegneria presso BWX Technologies, afferma che nel complesso la propulsione termica nucleare può essere da due a cinque volte più efficiente dei sistemi di propulsione chimica, offrendo allo stesso tempo una spinta elevata. “[Al contrario], i sistemi di propulsione elettrica nucleare possono fornire efficienze più elevate ma spinta inferiore, e l’energia generata attraverso la fissione nucleare può essere convertita in elettricità per fornire energia ai sottosistemi del veicolo spaziale”.

Quindi NTP o NEP saranno migliori per le operazioni nello spazio profondo? Secondo Thomas dipenderà dal tipo di missione. “Per missioni di una certa classe – come veicoli spaziali scientifici al di sopra di una certa massa – o missioni con equipaggio, o per determinate destinazioni, NTP sarà la scelta migliore, mentre per altre missioni NEP sarà la migliore. Come un viaggio in macchina, dipende dalla distanza, dalla quantità di bagagli che trasporti, dal tuo programma e così via.

Futuro nucleare

La NASA sta già valutando diverse missioni spaziali a propulsione nucleare. Secondo un rapporto pubblicato nel giugno 2021, questi potrebbero includere imbarcazioni che orbiteranno attorno a varie lune di Urano e Giove, e altre che orbiteranno e atterreranno su Tritone, la luna di Nettuno. Il rapporto prevede anche che un razzo a propulsione nucleare entri in un’orbita polare attorno al Sole e possibilmente anche una missione nello spazio interstellare.

In ultima analisi, la propulsione nucleare di qualche tipo – da sola o combinata con un altro tipo di propulsione – costituirà una parte importante dei futuri sforzi spaziali dell’umanità. Con la NASA, l’Agenzia spaziale britannica e l’Agenzia spaziale europea che guardano tutte al volo spaziale a propulsione nucleare, la mia scommessa è che le prime missioni con equipaggio su Marte, entro il 2030, utilizzeranno una qualche forma di questa tecnologia. Il sogno di Freeman Dyson potrebbe, ne sono certo, vedere presto la luce.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on/