Top 10 motori spaziali concettuali
Il lancio di una nave nello spazio è un processo lento e costoso di strane scienze e ingegneria. Fondamentalmente, abbiamo bisogno di razzi, motori estremi che espellono scarichi di propellenti ad alta velocità per generare spinta. Il loro funzionamento è un miracolo tecnologico per gli standard del secolo scorso, ma le basi sono piuttosto semplici. A pressione elevata, un accenditore fa esplodere il carburante all'interno di una camera di combustione insieme a una fonte di ossigeno (solitamente liquido). Il fluido risultante fuoriesce dall'ugello terminale come massa di reazione.
A differenza dei getti che respirano aria, i razzi non possono trasmettere i gas atmosferici per produrre movimento perché ad altezze orbitali l'atmosfera diventa troppo sottile. Quindi un motore a razzo deve spingere il proprio fluido di scarico per ottenere la spinta. Sembra semplice, ma i problemi tecnici coinvolti nel progetto, costruzione, assemblaggio e test di veicoli spaziali operativi fanno salire alle stelle il budget di qualsiasi lancio di satcom.
Apparentemente, superare la gravità terrestre e raggiungere lo spazio esterno è il limite per gli attuali razzi chimici, che utilizzano la reazione esotermica come propulsione. Fortunatamente, la scienza applicata è meno una questione di combattere la fisica che di capire come far funzionare favorevolmente le sue leggi. Ecco 10 concetti di guida di veicoli spaziali che possono espandere gli orizzonti dell'umanità.
10 Turbojet sinergico
Un metodo per costruire veicoli spaziali più economici potrebbe essere l'approccio SSTO (single-stage-to-orbit), un sistema di propulsione concettuale che non si basa sull'hardware di lancio per raggiungere l'altezza orbitale. Userebbe l'aria atmosferica durante il lancio per alimentare la reazione di combustione del motore, che eviterà il trasporto di ossidante extra e quindi ridurrà il peso.
A seguito di tale proposta, la società britannica Reaction Engines Limited (REL) ha progettato il suo spazioplano Skylon per funzionare utilizzando SABRE, un concetto di motore a respirazione d'aria. Per contare solo sul proprio hardware interno per ottenere la spinta, SABRE sarà in grado di alternare due modalità di funzionamento: un tipico turbogetto che si basa sull'aria atmosferica per alimentare la combustione interna e un motore a razzo convenzionale che utilizza ossigeno liquido.
REL ha rilasciato una proposta per un viaggio con equipaggio su Marte che impiegherebbe la navicella spaziale Skylon per costruire le navi della missione in orbita.
9 Razzo nucleare termico
Rosatom, una società statale russa che gestisce gli affari nucleari interni, sta costruendo un motore a razzo che impiegherebbe solo 45 giorni per viaggiare dalla Terra a Marte (contro gli attuali 18 mesi). Tale tecnologia sarà simile ai razzi termici nucleari (NTR) URSS progettati durante la Guerra Fredda. All'interno di un reattore a bordo, l'energia rilasciata dagli atomi che si dividono surriscalda il fluido di lavoro per creare alta pressione e quindi spinta, come fanno le reazioni di combustione del propellente in un razzo chimico. A causa della densità energetica del combustibile nucleare, i motori NTR pesano meno e hanno un basso consumo.
Allo stesso modo, la NASA ha rilanciato il suo progetto NTR 40 anni dopo la chiusura del programma NERVA, ma l'agenzia spaziale sta anche esaminando uno spettro più ampio di possibilità che coinvolgono l'energia nucleare, come i razzi a fusione e le lampadine nucleari.
8 Trasmissione termica dell'antimateria
Ogni sostanza fisica nell'universo è composta di materia; la materia è composta da particelle e per ogni particella c'è un gemello oscuro: l'antiparticella. Un'antiparticella ha tutti i tratti della sua controparte, tranne la carica opposta. Quando entrambi i gemelli interagiscono, si annientano a vicenda e nel processo rilasciano energia, molta energia. Gli scienziati della NASA vogliono utilizzare questo potere per potenziare i motori a razzo nell'era dei viaggi interstellari.
Analogamente agli NTR, l'annichilazione dell'antimateria riscalderebbe il fluido di lavoro per generare spinta, ma con un'efficienza del carburante esponenzialmente maggiore. 100 milligrammi di antimateria sono sufficienti per raggiungere Marte, mentre un razzo chimico avrebbe bisogno di tonnellate di propellente per una missione con equipaggio. I ricercatori vogliono persino finanziare una nave antimateria su Kickstarter.
7 Propulsione nucleare a impulsi
Che ne dici di un viaggio su Alpha Centauri che sgancia bombe atomiche sulla strada per azionare la tua astronave? La propulsione nucleare a impulsi può essere il percorso più fattibile per il viaggio interstellare. Avviato nel 1958 come impresa DARPA, Project Orion desiderava ardentemente costruire una vera nave da opera spaziale – costruzione in stile sottomarino, 200 membri dell'equipaggio, migliaia di tonnellate di peso al decollo – e lanciarla in orbita usando la propulsione nucleare a impulsi. Tutto fattibile, teoricamente e tecnicamente parlando.
Un motore Orion potrebbe produrre megatoni di spinta dirigendo piccole esplosioni nucleari contro una massiccia piastra di acciaio unita alla navicella spaziale con ammortizzatori, ma le questioni politiche e il budget si sono rivelate problemi peggiori degli ostacoli meccanici. Il progetto Orion è stato chiuso nel 1965 dopo diversi risultati, tuttavia, concetti simili come la sonda Medusa e la propulsione a fissione dell'antimateria sono ancora in fase di ricerca.
6 Micropropulsione di nanoparticelle
Caricare elettricamente le molecole propellenti e poi potenziarle attraverso i campi magnetici è un modo estremamente efficace per spingere i veicoli spaziali: nonostante la piccola forza di impulso, i propulsori ionici sono molte volte più efficienti dal punto di vista energetico dei razzi chimici e alla fine corrispondono alla propulsione esotermica a lungo termine. A proposito, quello era il sistema che spingeva la navicella Dawn fino a Vesta e Cerere.
Finanziata dall'Air Force Office of Scientific Research, l'Università del Michigan sta sviluppando un propulsore ionico sperimentale chiamato NanoFET. Il motore sparerebbe trilioni di nanoparticelle propellenti attraverso sistemi nanoelettromeccanici, aprendo un concetto di propulsore su chip in grado di azionare i satelliti miniaturizzati di domani. Le griglie dei moduli NanoFET potrebbero essere adattate in modo flessibile e ampliate per adattarsi a diversi progetti ed esigenze ingegneristiche.
5 Q-Thruster
I razzi espellono il propellente (azione) per ottenere spinta (reazione) in conformità con la terza legge di Newton, ma cosa succederebbe se una spinta potesse infrangere questa regola fondamentale della natura? Roger Shawyer, un ingegnere aerospaziale britannico, credeva che fosse perfettamente possibile quando nel 1999 propose un motore senza reazione chiamato propulsore a cavità risonante a radiofrequenza o semplicemente EmDrive (Electromagnetic Drive). Un EmDrive fa rimbalzare le microonde all'interno di un cono per produrre una spinta verso l'estremità più stretta. L'esperimento ha creato polemiche nella comunità scientifica anche dopo che i ricercatori cinesi, tedeschi e della NASA hanno riprodotto le procedure di Shawyer con risultati positivi.
Il modo in cui funzionano gli EmDrives rimane esattamente ai margini della fisica. La teoria della fluttuazione quantistica afferma che il vuoto frizza con particelle energetiche che entrano ed escono dalla realtà. Interagendo con queste particelle attraverso le microonde, sarebbe possibile che una nave subisca una spinta.
L'EmDrive ha creato un concetto completamente nuovo di motori a razzo noti come propulsori a vuoto quantistico (Q-thrusters).
4 propulsore laser fotonico
Young K. Bae è un dottorato di ricerca. Dr. fisico fondatore della YK Bae Corp — un'impresa dedicata alla ricerca di tecnologie “verdi" nei campi dell'energia e dei viaggi nello spazio. I brevetti di Bae includono ferrovie fotoniche, una nuova classe molecolare e il propulsore laser fotonico (PLT). Bae ha studiato il PLT con i finanziamenti della NASA ed è stato in grado di progettare un concetto di pilota spaziale che non avrebbe bisogno di trasportare serbatoi di carburante. Invece, il PLT riceverà la sua spinta dai laser sparati contro l'astronave. Poiché il vuoto è privo di attrito, un velivolo pilotato da PLT guadagnerebbe costantemente slancio per raggiungere Marte nel giro di pochi giorni.
Gli sviluppi nella tecnologia Directed Energy saranno cruciali per fornire raggi laser multi-megawatt in grado di spingere un veicolo spaziale attraverso lo spazio esterno, consentendo un'architettura priva di componenti pesanti, come carburante e alimentatori principali.
3 Lanciagranate Space Launcher
Gli scrittori di fantascienza, come Arthur C. Clarke e Robert Heinlein, hanno considerato le catapulte elettromagnetiche come dispositivi di trama per decenni. Anche oggi, accelerare magneticamente un carico utile a centinaia di miglia sopra la Terra può sembrare pura fantascienza, eppure scienziati come il dottor James Powell e il dottor Gordon Danby pensano che farà parte del futuro del viaggio spaziale. Powell e Danby hanno co-inventato il maglev superconduttore (sospensione magnetica), consentendo lo sviluppo degli attuali treni EM, e ora vogliono applicare la tecnologia ai viaggi spaziali attraverso il loro progetto Startram.
Nella visione di Powell e Danby, le bobine produrrebbero un forte campo magnetico per spingere un veicolo spaziale o un carico utile ad alta velocità attraverso miglia di ferrovia, in modo simile a ciò che accade al progetto di un fucile a bobina. Per ottenere uno slancio sufficiente, la pista avrà una lunghezza di diversi chilometri e un costo di decine di miliardi di dollari, ma – secondo i suoi inventori – è un piccolo prezzo da pagare per il futuro.
2 Stellar Windjammer
Il sole, come qualsiasi altra stella, emette costantemente particelle cariche, una vera tempesta di protoni ed elettroni ad alta velocità. Tale pressione di radiazione può spingere contro un campo magnetico e generare spinta.
Dopo un decennio di vagabondaggio spaziale, un veicolo spaziale sunjammer sarebbe in grado di attraversare i confini estremi del nostro sistema solare senza sprecare carburante, manovrando in campi magnetici e gravitazionali esoplanetari per calibrare la sua traiettoria. La direzione della spinta potrebbe essere regolata cambiando la vela in base al vento solare.
Poiché la forza propulsiva dipenderebbe dalle dimensioni del campo magnetico, una vela solare avrebbe bisogno di centinaia di metri e chilometri di materiale superconduttore per produrre il suo campo magnetico, simile a cicli ciclopici di filo invece delle tele che catturano il vento dell'era della navigazione.
La NASA prevede di schierare una vela solare nel 2018 durante l' indagine flyby di Asteroid Scout.
1 Alcubierre Drive
Le equazioni di campo di Einstein affermano che l'energia e la materia possono curvare la maglia dello spaziotempo della realtà. Speculativamente, allungando il tessuto dello spazio dietro una nave e contraendo lo spazio davanti ad essa, è possibile ottenere un viaggio apparente FTL (più veloce della luce). Certo, sarebbe lo spazio in movimento e non la nave, come un gioco a scorrimento, quindi nessuna legge relativistica verrebbe infranta. Cavalcando una bolla di curvatura di onde dello spaziotempo, la nostra nave può raggiungere velocità di molti ordini di grandezza maggiori di quella della luce. Potremmo persino viaggiare su Marte in meno di un secondo, ma penso che la decelerazione sarebbe un problema!
Il motore di Alcubierre o semplicemente il motore a curvatura è stato proposto dal fisico messicano Miguel Alcubierre come soluzione alle equazioni di campo di Einstein, secondo cui l'energia e la materia possono curvare la maglia dello spaziotempo. Utilizzando un campo di massa inferiore a zero, il motore di curvatura farebbe ruotare e scorrere il tessuto dello spazio.