Ha fatto scalpore negli ambienti scientifici la notizia della messa in funzione di un prototipo di motore elettrico basato su un acceleratore magnetico al plasma. Sebbene questo sistema generi una spinta relativamente modesta, ha dimostrato un’efficienza straordinaria. Nonostante la spinta inferiore rispetto ai motori chimici, la capacità di ridurre drasticamente il consumo di propellente potrebbe estendere notevolmente la durata delle missioni spaziali, offrendo vantaggi enormi nei viaggi verso Marte e oltre.

Il motore è stato progettato e collaudato nei laboratori di Rosatom, la principale agenzia russa nel settore nucleare, sia civile che militare. Oltre a gestire centrali nucleari e sviluppare isotopi e combustibili, Rosatom ha un ruolo chiave nello sviluppo di reattori nucleari per l’esplorazione dello spazio profondo. La Russia ha una lunga tradizione nell’uso dell’energia atomica per applicazioni spaziali, impiegandola per satelliti e stazioni già dai decenni passati. Con questo nuovo motore, Mosca mira a portare questa tradizione a un livello superiore, sviluppando propulsori sicuri e affidabili per affrontare l’esplorazione interplanetaria umana.

Il principale vantaggio dei motori al plasma, come quello sviluppato da Rosatom, è la capacità di ridurre significativamente i tempi di viaggio nello spazio profondo. Attualmente, un viaggio verso Marte richiede tra i sette e i nove mesi con i tradizionali motori chimici. Con un motore al plasma alimentato da un reattore nucleare, questo tempo potrebbe essere ridotto da sette a tre mesi, consentendo un miglioramento cruciale per le missioni umane, poiché limiterebbe l’esposizione degli astronauti alle radiazioni cosmiche e agli effetti debilitanti della microgravità.

Nonostante i vantaggi indiscutibili dei motori al plasma, i motori chimici tradizionali, come quelli a idrogeno e ossigeno liquidi, presentano ancora punti di forza significativi, tra cui una spinta immediata maggiore; requisito fondamentale per manovre di lancio o d’emergenza. Tuttavia, il loro consumo di carburante è altrettanto elevato, limitandone l’autonomia e l’efficienza nei viaggi interplanetari.

In risposta a questa sfida, i motori nucleari termici sembrano offrire un equilibrio migliore tra efficienza e spinta. Questi motori, infatti, possono generare una spinta molto elevata, garantendo un’efficienza due o tre volte maggiore rispetto ai motori chimici con un limitato consumo di propellente. Uno di questi motori è il DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), attualmente in fase di sviluppo da parte di NASA e DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). Il propulsore spaziale sfrutta idrogeno liquido che, una volta riscaldato, viene espulso ad alta velocità per generare la spinta. Un sistema che potrebbe ridurre i tempi di viaggio verso Marte a circa tre mesi, proprio come promette di fare il motore al plasma di Rosatom.

Anche se, lo capisco, è un po' noioso, a questo punto è necessario spiegare in modo semplice come funzionano e quale dei due sia più conveniente, tenendo conto che l’energia necessaria a entrambi è nucleare. Confrontando il motore Rosatom con il DRACO (un confronto valido per ogni tipo di motore al plasma o nucleare), si devono considerare due parametri fondamentali: l’impulso specifico (Isp) e il rapporto tra potenza e spinta. L’impulso specifico, che misura l’efficienza del motore, è teoricamente superiore ai 10.000 secondi nel caso del motore al plasma, un valore straordinariamente alto rispetto ai motori chimici (circa 450 secondi) e ai motori nucleari termici (800-900 secondi).

Tuttavia, la propulsione al plasma richiede una quantità enorme di energia per generare una spinta significativa. Infatti, per produrre 6 Newton di spinta in modalità pulsata, il prototipo sperimentato da Rosatom ha bisogno di ben 300 kW di potenza. Questo lo rende meno adatto per missioni con equipaggio nel breve termine, ma molto promettente per missioni a lunga distanza e senza equipaggio, dove l’efficienza è più importante della spinta immediata.

D’altra parte, un motore termico nucleare come DRACO, pur avendo un impulso specifico inferiore, rappresenta un buon compromesso tra efficienza e spinta. E quindi è particolarmente adatto per missioni con equipaggio, grazie alla sua capacità di ridurre i tempi di viaggio senza necessitare di ingenti quantità di energia elettrica. Questo motore, come la collaborazione con DARPA suggerisce, è però specificamente pensato per operazioni agili nell’orbita cislunare, con un focus militare e di sorveglianza, oltre che esplorativo.

Sebbene possa sembrare curioso che la NASA collabori allo sviluppo di sistemi nucleari con agenzie militari come la DARPA, va chiarito che ogni sistema missilistico, per sua natura, può avere potenziali applicazioni militari. In parallelo a questo tipo di progetti, la NASA collabora anche con la General Atomics Electromagnetic Systems a un’iniziativa particolarmente promettente di propulsione termica nucleare. Le due organizzazioni hanno recentemente condotto con successo, presso il Marshall Space Flight Center, un test su un nuovo tipo di combustibile nucleare.

L’esperimento, eseguito in condizioni operative estreme, ha segnato un passo cruciale verso la realizzazione di sistemi di propulsione nucleare destinati a missioni di lunga durata, come quelle verso la Luna e, soprattutto, Marte. Come più volte sottolineato, la propulsione termica nucleare (NTP, Nuclear Thermal Propulsion) offre vantaggi significativi rispetto ai tradizionali motori chimici, in particolare in termini di efficienza e tempi di percorrenza. Un sistema NTP potrebbe essere due o tre volte più efficiente, permettendo di ridurre il tempo necessario per raggiungere Marte dagli attuali sei mesi a soli due o tre. Questo comporterebbe una minore esposizione degli astronauti alle radiazioni cosmiche e una significativa riduzione delle risorse e dei rifornimenti richiesti per il viaggio.

Accanto a Rosatom e alla NASA, anche aziende private stanno contribuendo allo sviluppo di sistemi di propulsione avanzati. Tra queste, spicca la Ad Astra Rocket Company, fondata dall’ex astronauta della NASA Franklin Chang-Díaz. La compagnia sta lavorando al motore VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), nella versione VX-200SS, un innovativo sistema di propulsione a plasma.

Il motore, già in fase avanzata, è stato testato con successo nel 2021, dimostrando di poter operare per oltre 80 ore con una potenza costante di 80 kW. L’obiettivo dell’azienda è ora sviluppare una versione potenziata da 200 kW, capace di raggiungere un impulso specifico compreso tra 5.000 e 10.000 secondi. Tali caratteristiche lo renderebbero ideale per missioni verso Marte o per il controllo dell’orbita di stazioni spaziali.

Sebbene estremamente promettente, i motori nucleari presentano due principali preoccupazioni legate alla sicurezza: il trasporto del combustibile nucleare e la protezione degli astronauti dalle radiazioni (nel caso di astronavi con equipaggio):

  1. Trasporto del combustibile nucleare: il trasporto di materiale nucleare nello spazio comporta dei rischi significativi. Un incidente durante il lancio potrebbe causare la contaminazione radioattiva sulla Terra o nell’ambiente spaziale. Per ridurre questi rischi, il combustibile nucleare viene solitamente protetto da moduli speciali, progettati per resistere a impatti e urti, impedendo il rilascio di materiale radioattivo in caso di guasto.

  2. Protezione dalle radiazioni: un altro problema fondamentale riguarda la protezione dell’equipaggio dalle radiazioni emesse dal reattore nucleare stesso e dalle radiazioni cosmiche provenienti dallo spazio profondo. Per far fronte a questo rischio, vengono sviluppate soluzioni come scudi magnetici superconduttori e materiali avanzati, come leghe di alluminio, per schermare l’equipaggio dalle radiazioni. La protezione efficace è cruciale per garantire la sicurezza e la salute degli astronauti durante missioni prolungate.

Concludendo, mentre i motori chimici rimangono la tecnologia più affidabile per il lancio e le manovre orbitali, il futuro dell’esplorazione spaziale dipenderà sempre più dai motori nucleari, sia termici che elettrici. Il motore al plasma di Rosatom rappresenta una delle alternative più promettenti, con il potenziale di rivoluzionare i viaggi interplanetari, se si riuscirà a superare la sfida energetica. Tuttavia, i motori termici nucleari sembrano la soluzione più immediata e promettente per missioni con equipaggio, come quelle verso Marte, poiché offrono un buon compromesso tra spinta elevata ed efficienza, riducendo significativamente i tempi di viaggio e l’esposizione agli effetti negativi delle radiazioni cosmiche.

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