Sistemi di propulsione per future navicelle spaziali

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I nuovi elettrizzanti sistemi di propulsione della NASA. Cosa succederebbe se il sistema di propulsione più potente della NASA producesse meno di mezzo chilo di spinta raggiungendo velocità fino a 350.000 kph? E se costasse meno, trasportasse maggiore massa e utilizzasse meno carburante?

Dall’inizio del programma spaziale, le persone sono state affascinate dai grandi, potenti razzi come il Saturn V della NASA che ha inviato le missioni Apollo fino alla superficie lunare, o il sistema di lancio spaziale Space Launch System previsto per inviare nuovamente astronauti sulla Luna durante il programma Artemis o, anche, il sistema Super Heavy che dovrebbe lanciare l’enorme Starship di SpaceX oltre l’orbita della Terra.

Ma cosa succederebbe se il sistema di propulsione più potente della NASA producesse meno di mezzo chilo di spinta raggiungendo velocità fino a 350.000 kph? E se costasse meno, trasportasse maggiore massa e utilizzasse meno carburante?

Questo sistema rivoluzionario potrebbe essere la propulsione elettrica. Può ridurre la quantità di carburante, o propellente, necessaria fino al 90% rispetto ai sistemi a propulsione chimica, risparmiando milioni sui costi di lancio e fornendo una maggiore flessibilità della missione.

Terza legge di Newton nello spazio

La propulsione chimica utilizza un carburante e un ossidante, convertendo l’energia immagazzinata nei legami chimici dei propellenti, per produrre una spinta breve e potente, o ciI nuovi elettrizzanti sistemi di propulsione della NASA.ò che vediamo come fuoco. È rumoroso ed eccitante, ma non molto efficiente.

Un sistema di propulsione elettrica utilizza l’energia raccolta da array solari (propulsione elettrica solare) o da un reattore nucleare (propulsione elettrica nucleare) per generare spinta, eliminando molte delle esigenze e dei limiti di immagazzinamento dei propellenti a bordo.

Quel potere viene quindi convertito e utilizzato per ionizzare – o caricare positivamente – propellenti di gas inerti come Xenon e Krypton. Una combinazione di campi elettrici e magnetici (propulsore ad effetto Hall) o di un campo elettrostatico (ione reticolare) accelera gli ioni e li spinge fuori dal propulsore guidando il veicolo spaziale a velocità enormi nel tempo. E invece del fuoco, il suo scarico è una scia blu-verdastra luminosa, come qualcosa uscito direttamente dalla fantascienza.

Drag race vs road trip

Una semplice illustrazione di come funzionano i sistemi di propulsione elettrica. Credito: NASA / ATS Lisa Liuzzo
Una semplice illustrazione di come funzionano i sistemi di propulsione elettrica. Credito: NASA / ATS Lisa Liuzzo

Una navicella spaziale chimica è un potente dragster di carburante mentre lascia l’orbita terrestre verso la sua destinazione. La spinta iniziale è abbastanza potente, ma può davvero andare solo nella direzione in cui punta quando premi il pedale del gas. La navicella parte come un proiettile, ma dopo che la sua riserva di carburante è esaurita, c’è poca capacità di accelerare, rallentare o cambiare direzione. Quindi, la missione è limitata da finestre di lancio specifiche e tempi di partenza orbitale, e può apportare solo correzioni minime lungo il percorso.

Una navicella spaziale a propulsione elettrica, una volta nello spazio, è pronta per una corsa limitata solo dal gas nel serbatoio. La spinta iniziale è piuttosto bassa, ma può continuare ad accelerare per mesi o addirittura anni e può anche rallentare e cambiare direzione.

La missione Dawn della NASA è un perfetto esempio. Dopo il lancio, ha accelerato verso Vesta, nella fascia degli asteroidi. A causa dei piccoli array solari della navicella ci sono voluti più di cinque anni per arrivarci, ma mentre vi si avvicinava, la navicella si è capovolta di 180 gradi, ha acceso i suoi propulsori per rallentare e ha orbitato intorno a Vesta per un anno. Alla fine, ha riacceso i motori e si è diretta verso Cerere, dove orbita ancora oggi. Questo non sarebbe stato possibile con veicoli spaziali a propulsione chimica.

Sistemi come quello di Dawn sono ampiamente utilizzati dalla NASA e nel settore commerciale, operando tipicamente nell’intervallo 1-10 kilowatt (kW). Ma per utilizzare la propulsione elettrica per missioni scientifiche e tecnologiche più complesse e per le missioni umane avremo bisogno di più potenza.

Più potenza

Un’illustrazione del PPE-HALO in orbita lunare. Credito: NASA
Un’illustrazione del PPE-HALO in orbita lunare. Credito: NASA

Il Power and Propulsion Element (PPE) del Lunar Gateway sarà dotato di una propulsione elettrica solare avanzata e ad alta potenza. Sarà un veicolo spaziale di classe 60kW, 50 dei quali potranno essere dedicati alla propulsione, rendendolo circa quattro volte più potente degli attuali veicoli spaziali a propulsione elettrica. Verrà realizzato non costruendo un grande propulsore, ma combinandone diversi in una stringa con giganteschi pannelli solari.

Questo sistema avanzato consentirà alla nostra piattaforma orbitante di supportare l’esplorazione lunare per 15 anni, data la sua elevata economia di carburante e la sua capacità di muoversi mentre è in orbita consentirà agli esploratori di atterrare praticamente ovunque sulla superficie lunare.

Sebbene sia un pezzo fondamentale dei piani di esplorazione lunare del programma Artemis, il PPE aiuterà anche a guidare gli investimenti commerciali degli Stati Uniti in sistemi di propulsione elettrica di maggiore potenza, come quelli che potrebbero essere utilizzati in futuro per arrivare su Marte.

Prossima fermata, Marte

Illustrazione di un habitat di transito su Marte e di un sistema di propulsione nucleare che un giorno potrebbe portare gli astronauti su Marte. Credito: NASA
Illustrazione di un habitat di transito su Marte e di un sistema di propulsione nucleare che un giorno potrebbe portare gli astronauti su Marte. Credito: NASA

I futuri veicoli di trasferimento per Marte avranno bisogno di circa 400 kW-2 megawatt di potenza per trasportare con successo astronauti o merci da e verso il Pianeta Rosso. I concetti di veicoli e di propulsione per Marte sono ancora in fase di sviluppo, inclusa una combinazione di propulsione nucleare elettrica e chimica e altre opzioni emergenti come la propulsione termica nucleare.

Non importa come arriveremo sulla Luna e alla fine su Marte, una cosa, però, è certa: il futuro dell’esplorazione spaziale sarà eccitante, si potrebbe anche dire elettrizzante.

Fonte: https://scitechdaily.com/nasas-electrifying-new-propulsion-systems/

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