Un razzo a energia solare potrebbe essere il nostro biglietto per lo spazio interstellare

L'idea per la propulsione solare termica esiste da decenni, ma i ricercatori contattati dalla NASA hanno appena condotto un primo test

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Se Jason Benkoski ha ragione, il percorso per lo spazio interstellare inizia in un container nascosto dietro una baia alta di un laboratorio nel Maryland. L’allestimento sembra uscito da un film di fantascienza a basso costo: una parete del contenitore è rivestita da migliaia di LED, un traliccio di metallo vi corre al centro e una spessa tenda nera oscura parzialmente l’apparato. Questo è il simulatore solare del laboratorio di fisica applicata della Johns Hopkins University, uno strumento che può brillare con l’intensità di 20 soli. Giovedì pomeriggio, Benkoski ha montato una piccola piastrella bianca e nera sul traliccio e ha tirato una tenda scura attorno all’allestimento prima di uscire dal container. Poi ha premuto l’interruttore della luce.

Quando il simulatore solare si è surriscaldato, Benkoski ha iniziato a pompare elio liquido attraverso un piccolo tubo incorporato che serpeggia attraverso la lastra. L’elio ha assorbito il calore dai LED mentre si diffondeva nel canale e si è espanso fino a quando non è stato finalmente rilasciato attraverso un piccolo ugello. Potrebbe non sembrare molto, ma Benkoski e il suo team hanno appena dimostrato la propulsione solare termica, un tipo di motore a razzo precedentemente teorico alimentato dal calore del sole. Pensano che potrebbe essere la chiave per l’esplorazione interstellare.

È davvero facile per qualcuno respingere l’idea e dire: ‘Sul retro di una busta, sembra fantastico, ma se lo costruisci davvero, non otterrai mai quei numeri teorici’“, ha affermato Benkoski, ricercatore presso il Laboratorio di Fisica Applicata e leader del team che lavora su un sistema di propulsione solare termica. “Ciò che questo sta dimostrando è che la propulsione solare termica non è solo una fantasia. Potrebbe effettivamente funzionare“.

Solo due veicoli spaziali, il Voyager 1 e il Voyager 2, hanno lasciato il nostro sistema solare. Ma questo è stato un bonus scientifico dopo aver completato la loro missione principale che era quella di esplorare Giove e Saturno. Nessuno dei due veicoli spaziali era dotato degli strumenti giusti per studiare il confine tra il feudo planetario della nostra stella e il resto dell’universo. Inoltre, i gemelli Voyager sono lenti. Avanzando arrancando a 45.000 chilometri all’ora, hanno impiegato quasi mezzo secolo per sfuggire all’influenza del sole.

Ma i dati che ci hanno inviato dal limite del sistema solare sono interessanti. Hanno dimostrato che molto di ciò che i fisici avevano previsto sull’ambiente ai margini del sistema solare era sbagliato. Non sorprende che un folto gruppo di astrofisici, cosmologi e scienziati planetari stia chiedendo a gran voce una sonda interstellare dedicata per esplorare questa nuova frontiera.

Nel 2019, la NASA ha contattato il Laboratorio di fisica applicata per studiare i concetti per una missione interstellare dedicata. Alla fine del prossimo anno, il team presenterà le sue ricerche all’indagine decennale Heliophysics delle Accademie Nazionali di Scienze, Ingegneria e Medicina, che determina le priorità scientifiche legate al Sole per i prossimi 10 anni. I ricercatori dell’APL che lavorano al programma Interstellar Probe stanno studiando tutti gli aspetti della missione, dalle stime dei costi alla strumentazione. Ma semplicemente capire come arrivare nello spazio interstellare in un ragionevole lasso di tempo è di gran lunga il pezzo più grande e più importante del puzzle.

Il confine del sistema solare, chiamato eliopausa, è estremamente lontano. Quando un veicolo spaziale raggiunge Plutone, è solo ad un terzo della strada per lo spazio interstellare. E il team dell’APL sta studiando una sonda che dovrebbe andare tre volte oltre il bordo del sistema solare, un viaggio di 75 miliardi di chilometri, in circa la metà del tempo impiegato dalla sonda Voyager solo per raggiungere il bordo. Per portare a termine quel tipo di missione, avranno bisogno di una sonda diversa da qualsiasi cosa sia mai stata costruita. “Vogliamo creare un veicolo spaziale che andrà più veloce, più lontano e si avvicinerà al Sole più di quanto sia mai stato fatto prima“, dice Benkoski. “È la cosa più difficile che potresti fare“.

A metà novembre, i ricercatori di Interstellar Probe si sono incontrati online per una conferenza di una settimana per condividere gli aggiornamenti mentre lo studio entra nel suo ultimo anno. Alla conferenza, i team dell’APL e della NASA hanno condiviso i risultati del loro lavoro sulla propulsione solare termica, che ritengono sia il modo più veloce per portare una sonda nello spazio interstellare. L’idea è di alimentare un motore a razzo con il calore del sole, piuttosto che con la combustione. Secondo i calcoli di Benkoski, questo motore sarebbe circa tre volte più efficiente dei migliori motori chimici convenzionali oggi disponibili. “Dal punto di vista della fisica, è difficile per me immaginare qualcosa che possa battere la propulsione solare termica in termini di efficienza“, afferma Benkoski.

A differenza di un motore convenzionale montato all’estremità poppiera di un razzo, il motore solare termico che i ricercatori stanno studiando sarebbe integrato con lo scudo del veicolo spaziale. Il guscio piatto rigido costituito da una schiuma di carbonio nera con un lato rivestito in un materiale riflettente bianco. Esternamente sarebbe molto simile allo scudo termico della Parker Solar Probe. La differenza fondamentale è la tubazione tortuosa nascosta appena sotto la superficie. Se la sonda interstellare passa vicino al Sole e spinge l’idrogeno nel sistema vascolare del suo scudo, l’idrogeno si espanderà ed esploderà da un ugello all’estremità del tubo. Lo scudo termico genererà spinta.

È semplice in teoria, ma incredibilmente difficile in pratica. Un razzo solare termico è efficace solo se può eseguire una manovra di Oberth, un attacco meccanico orbitale che trasforma il Sole in una fionda gigante. La gravità del Sole agisce come un moltiplicatore di forza che aumenta notevolmente la velocità del velivolo se un veicolo spaziale accende i suoi motori mentre gira intorno alla stella. Più un veicolo spaziale si avvicina al Sole durante una manovra di Oberth, più velocemente andrà. Nella progettazione della missione dell’APL, la sonda interstellare passerebbe solo un milione e mezzo di chilometri dalla sua superficie incandescente.

Per metterlo in prospettiva, nel momento in cui la sonda solare Parker della NASA farà il suo approccio più vicino al Sole, nel 2025, sarà a 6 milioni di chilometri dalla superficie del Sole e si muoverà a quasi 600.000 chilometri all’ora. Si tratta di circa il doppio della velocità che la sonda interstellare mira a raggiungere e la Parker Solar Probe ha acquisito velocità con l’assistenza gravitazionale del Sole e di Venere nel corso di sette anni. La sonda interstellare dovrà accelerare da circa 45.000 chilometri orari a circa 300.000 chilometri orari in un solo giro intorno al sole, il che significa avvicinarsi alla stella. Veramente vicino.

Avvicinarsi a un’esplosione termonucleare delle dimensioni di un sole crea ogni sorta di sfide sui materiali, spiega Dean Cheikh, un tecnologo dei materiali presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA che ha presentato un caso di studio sul razzo solare termico durante la recente conferenza. Per la missione APL, la sonda trascorrerebbe circa due ore e mezza a temperature di circa 4.500 gradi Fahrenheit mentre completa la manovra di Oberth. È più che abbastanza caldo da sciogliere lo scudo termico della Parker Solar Probe, quindi il team di Cheikh, alla NASA, ha testato nuovi materiali che potrebbero essere utilizzati come rivestimento esterno per riflettere l’energia termica. Combinati con l’effetto di raffreddamento dell’idrogeno che scorre attraverso i canali nello scudo termico, questi rivestimenti dovrebbero mantenere fresca la sonda interstellare mentre passa vicino al Sole. “Vuoi massimizzare la quantità di energia che stai restituendo“, dice Cheikh. “Anche piccole differenze nella riflettività del materiale iniziano a riscaldare in modo significativo il tuo veicolo spaziale“.

Un problema ancora più grande è come gestire l’idrogeno caldo che scorre attraverso i canali. A temperature estremamente elevate, l’idrogeno passerebbe direttamente attraverso il nucleo a base di carbonio dello scudo termico, il che significa che l’interno dei canali dovrà essere rivestito con un materiale più resistente. Il team ha identificato alcuni materiali che potrebbero fare il lavoro, ma non ci sono molti dati sulle loro prestazioni, specialmente le temperature estreme. “Non ci sono molti materiali in grado di soddisfare queste esigenze“, afferma Cheikh. “In un certo senso va bene, perché dobbiamo solo analizzare questi materiali. Ma è anche un male perché non abbiamo molte opzioni“.

Il grande risultato della sua ricerca, dice Cheikh, è che ci sono molti test da fare sui materiali dello scudo termico prima che un razzo solare termico venga inviato intorno al sole. Ma non è un rompicapo. In effetti, gli incredibili progressi nella scienza dei materiali fanno sembrare l’idea finalmente realizzabile più di 60 anni dopo essere stata concepita per la prima volta dagli ingegneri dell’aeronautica americana. “Pensavo di aver avuto questa grande idea in modo indipendente, ma la gente ne parlava nel 1956“, dice Benkoski. “La produzione additiva è una componente chiave di questo e non potevamo farlo 20 anni fa. Ora posso stampare in 3D il metallo in laboratorio“.

Anche se Benkoski non è stato il primo a lanciare l’idea di una propulsione solare termica, crede di essere il primo a dimostrare un prototipo di motore. Durante i suoi esperimenti con la piastrella canalizzata nel container, Benkoski e il suo team hanno dimostrato che è possibile generare spinta utilizzando la luce solare per riscaldare un gas mentre passa attraverso condotti incorporati in uno scudo termico. Questi esperimenti hanno, però,  diversi limiti. Non hanno usato gli stessi materiali o propellenti che dovrebbero essere usati in una missione reale e i test sono avvenuti a temperature ben al di sotto di ciò che sperimenterà una sonda interstellare. Ma la cosa importante, dice Benkoski, è che i dati degli esperimenti a bassa temperatura corrispondessero ai modelli che prevedono come una sonda interstellare si comporterebbe nella sua missione effettiva una volta apportate le regolazioni per i diversi materiali. “L’abbiamo fatto su un sistema che non sarebbe mai riuscito a volare. E ora il secondo passo è che iniziamo a sostituire ciascuno di questi componenti con il materiale che mettermmo su un vero veicolo spaziale per una manovra di Oberth“, dice Benkoski.

Il concetto ha ancora molta strada da fare prima che sia pronto per essere utilizzato in una missione e, con solo un anno rimasto nello studio Interstellar Probe, non c’è abbastanza tempo per lanciare un piccolo satellite per fare esperimenti in orbita terrestre bassa. Ma quando Benkoski ed i suoi colleghi dell’APL presenteranno il loro rapporto il prossimo anno, avranno generato una grande quantità di dati che getterà le basi per i test nello spazio.

Non c’è alcuna garanzia che le Accademie Nazionali selezioneranno il concetto di sonda interstellare come priorità assoluta per il prossimo decennio. Ma ogni volta che saremo pronti a lasciarci il sole alle spalle, ci sono buone probabilità che dovremo usarlo per una spinta mentre usciamo.

Fonte: Wired