DataObservatory - Rubrica astronautica

MIR, copia per addestramento cosmonauti - Piscina a gravità zero per cosmonauti

Per un velivolo destinato all’uso nello spazio si deve porre una grande attenzione a fattori quantomeno trascurabili per un mezzo da utilizzarsi sulla terra. Nello specifico è fondamentale sfruttare al massimo il carburante disponibile. Per un’automobile consumare poco significa economizzare qualche decina di euro sulla spesa mensile per la benzina, ma consumare poco per un velivolo spaziale significa risparmiare milioni di dollari.

I tre tipi di impulsi specifici misurano proprio la resa in impulso rapportata a parametri relativi al carburante.

L’impulso specifico semplice rapporta l’impulso totale dell’apparato propulsivo alla forza peso del carburante.

L’impulso specifico volumetrico è invece visto come l’impulso specifico semplice per la densità del propellente. Rispetto al precedente parametro riesce ad analizzare la resa del carburante utilizzato in vista dello spazio che necessita per contenerlo.

L’ultima tipologia fa invece riferimento all’impulso totale rapportato alla massa dell’intero apparato che deve essere sospinto dal motore. Questo rappresenta un utile indicatore di merito variabile per ogni missione in base alla quantità di materiale che necessita portare in orbita.

L’impulso specifico varia molto in relazione al tipo di motore e al carburante impiegato. Ad esempio per un motore chimico simile a quello dello shuttle vale Is=250 s mentre per un motore a ioni elettrico questo valore arriverebbe a 5000 s.

I motori con impulsi specifici così alti li devono a tempi di applicazione della forza molto elevati, poiché dipendono da fonti di energia che si esauriscono molto lentamente (come ad esempio reattori nucleari).

Ricordiamo la formula dell’impulso classico da cui hanno origine tutte le precedenti:

I motori chimici producono una forza molto elevata che a causa dell’esaurimento del carburante termina dopo poco tempo generando un impulso specifico tutto sommato modesto. Tipologie di propulsione con Is molto elevato in realtà non producono una spinta sufficientemente alta da consentire di raggiungere la velocità di fuga per uscire dall’atmosfera e possono essere impiegati solamente nello spazio dove l’attrito è nullo.

Conoscere l’impulso specifico di un motore è utilissimo per calcolare tutte le altre grandezze relative al moto.

Consideriamo una tipologia di propulsione reputata una delle più efficaci su viaggi di lunga durata: il razzo termico nucleare .

Esso fu testato nella seconda metà degli anni sessanta con il progetto Nerva, fortemente voluto dal presidente Kennedy, e lo si riteneva il miglior candidato per un eventuale volo verso Marte. Venne però abbandonato a causa delle proteste ambientaliste e dell’immenso costo, che doveva essere sostenuto durante il Progetto Apollo e la Guerra del Vietnam.

Cerchiamo ora proprio di rapportare l’efficienza di un motore chimico convenzionale a quella di un motore nucleare partendo dal fatto di disporre di un’uguale quantità di carburante: 700.000 kg, contenuti in un serbatoio di 25.000 kg, proprio la quantità presente nel serbatoio esterno principale dello Shuttle.

SPECIFICHE Nucleare SPECIFICHE Chimica

Spinta max: 100.000 N Spinta max: 10.000.000 N

Impulso specifico: 1000 s Impulso specifico: 250 s

Con la formula inversa dell’Is, ammesso di avere 700.000 kg si carburante, si otterrebbe un impulso totale di 6.860.000.000 Ns per il nucleare e di 1.715.000.000 Ns per il motore chimico. 4 volte in più per la propulsione nucleare.

Calcoliamo ora in quanto tempo esso viene generato. Basta ricordare il teorema dell’impulso classico I = F Dt. Si ricava così un tempo di applicazione della forza di 19 ore per il primo tipo di motore e di 171,5 secondi per il razzo chimico.

Calcoliamo ora il Dv raggiungibile dalle due tipologie di propulsione ricordando che: I = m Dv, laddove m è uguale alla massa al momento dell’esaurimento del carburante, ovvero alla massa a vuoto del serbatoio sommata a quella degli altri componenti dei velivoli su cui sono montati i motori, presupponendo che siano uguali (10.000 kg). Dv per la prop. nucleare è pari a 196.000 m/s, mentre per la prop. chimica è di 49.000 m/s, esattamente ¼ della precedente.

Dobbiamo però considerare questi calcoli come ideali, con il solo scopo di confrontare le capacità di due tipi di propulsione, poiché è di fatto impossibile trasportare 700.000 kg di carburante nello spazio, luogo in cui è concepito l’esperimento data l’assenza di attriti e la completa validità della seconda legge della dinamica.

Dagli albori dell’era spaziale, da quegli ormai passati tentativi di raggiungere il cielo, l’uomo ha cominciato a sognare di esplorare il cosmo e le infinite meraviglie che esso contiene. In più di mezzo secolo abbiamo cominciato a guardarci intorno, abbiamo messo il naso fuori dalla porta di casa e stiamo passeggiando per il vicinato.

Il Sistema Solare è stato percorso da velivoli spaziali per decenni, ma lo spazio profondo, oltre i cancelli della fascia asteroidale di Kuiper è totalmente inesplorato. Siamo costretti ad osservarlo da casa, come un bambino che dalla finestra guarda il paesaggio e sogna di sfrecciare in autostrada per scoprire il mondo.

La difficoltà nell’esplorazione dello spazio sta nella mancanza di sistemi di propulsione efficienti. Dalla nascita dell’astronautica essi sono rimasti sostanzialmente inalterati, a base chimica, ma sono stati fatti numerosi esperimenti e fantasiose proposte che, speriamo, un giorno troveranno la loro conclusione.

I progetti più accessibili sono quelli già in fase sperimentale che consentirebbero un viaggio a una frazione considerevole della velocità della luce. Il record attuale è di 100.000 km/h, 10.000 volte meno. Esaminiamo le possibilità di migliorare l’attuale livello della propulsione spaziale.

L’energia nucleare è da anni utilizzata con successo per l’alimentazione delle sonde spaziali. Per quelle che viaggiano verso i pianeti interni del Sistema Solare sono sufficienti dei pannelli solari che forniscono elettricità agli strumenti; per le sonde che si dirigono invece in quelle zone più lontane dal Sole vengono utilizzati dei generatori termoelettrici a radioisotopi. Questo tipo di generatori sfrutta il calore naturalmente prodotto da elementi radioattivi per alimentare per molti anni le apparecchiature della sonda.

Progetto ORION: Nel 1955, ancor prima della nascita di qualunque mezzo spaziale, la mente umana aveva sognato, grazie ai nuovi orizzonti aperti dall’energia nucleare, un velivolo esplorativo di grande portata. Nel ‘58 il fisico statunitense Theodore Taylor ottenne il favore dell’Aeronautica e il suo progetto iniziò. Le sue idee, per quanto ad un approccio semplicistico possano sembrare quantomeno strampalate, riuscirono a convincere le maggiori menti dell’epoca come Freeman Dyson. Il progetto prevedeva la realizzazione di un’astronave spinta dalle onde d’urto prodotte da detonazioni atomiche che, colpendo un’apposita piastra metallica, avrebbero costituito il “motore” della nave. Dopo sette anni di ricerche, 10 milioni di dollari stanziati e la costruzione di un piccolo prototipo, il progetto venne abbandonato a causa del dissenso delle Nazioni Unite verso gli esperimenti nucleari. Sebbene i dettagli del progetto restino attualmente classificati (perché basati sulla tecnologia delle bombe atomiche), coloro che presero parte allo sviluppo assicurarono che non si era presentato nessun problema e che Orion poteva benissimo funzionare. E’ stato da più parti confermato che né le testate, né la piastra, né le radiazioni costituivano problemi considerevoli.

Attualmente gli esiti del progetto sono seriamente presi in considerazione per l’allontanamento di asteroidi pericolosi.

Progetto NERVA: L’utilizzo dell’immensa energia prodotta dalla fissione artificiale per la propulsione è stato sperimentato dagli Stati Uniti negli anni ’60 con l’ormai estinto progetto NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). Esso, fortemente sostenuto dal presidente Kennedy, ha comportato durante l’intero decennio la costruzione di 4 prototipi funzionanti: Kiwi, Phoebus, Peewee, per finire con lo XE nel 1969.

Il motore sviluppato consisteva in un reattore nucleare classico in cui veniva sparato un getto di idrogeno che, riscaldandosi improvvisamente, si espandeva e sospingeva la navetta. La potenza sviluppata in questo modo risulta minore di quella prodotta da un tipico motore chimico idrogeno-ossigeno, ma così facendo si elimina parte delle pesanti riserve di carburante necessarie ad un motore chimico. Il vantaggio maggiore di un motore nucleare è però quello di poter fornire una spinta abbastanza consistente per un tempo lunghissimo, di gran lunga superiore a quello in cui si esaurisce un booster chimico. Quindi, mentre poco dopo il lancio il carburante convenzionale finisce (tranne scorte per le manovre), un motore nucleare consente di accelerare molto più a lungo. Anche se i prototipi costruiti non hanno mai superato il 50% dell’efficienza prevista essi rappresentavano comunque un grande passo in avanti tanto che si pensava ad un sonda di nome NERVA-2 in grado di raggiungere Marte prima della fine del secolo. Le numerose proteste contro il nucleare hanno poi costretto l’amministrazione alla chiusura del progetto a causa delle emissioni radioattive da esso causate (sebbene assolutamente non paragonabili a quelle provocate dai test di ordigni nucleari eseguiti in quel periodo). Infatti l’idrogeno espulso dall’ugello risultava contaminato dai sottoprodotti pesantemente radioattivi della fissione.

Si è inoltre calcolato che un motore di tipo NERVA funzionante per mezzo della fusione nucleare (anche se ad oggi non è stato possibile ottenerla in maniera controllata) potrebbe rendere 150 volte di più.

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