Credits: NASA

Introduzione

Fin dall’inizio del programma spaziale, la gente è stata affascinata dai grandi e potenti razzi della NASA, come il razzo Saturno V che ha inviato Apollo sulla superficie lunare, o il Space Launch System che produrrà milioni di libbre di spinta mentre rispedisce gli astronauti della missione Artemis sulla Luna.

Ma cosa succede se il più potente sistema di propulsione della NASA produce meno di un chilo di spinta mentre raggiunge velocità fino a 200.000 mph? E se costasse meno, trasportasse di più e consumasse meno carburante?

Questo sistema radicalmente nuovo è la propulsione elettrica nello spazio. Può ridurre la quantità di carburante, o di propellente, necessaria fino al 90% rispetto ai sistemi di propulsione chimica, risparmiando milioni nei costi di lancio e fornendo al contempo una maggiore flessibilità nelle missioni.

Credits: NASA

La terza legge di Newton nello spazio

La propulsione chimica utilizza un combustibile e un ossidante, convertendo l’energia immagazzinata nei legami chimici dei propellenti, per produrre una breve e potente spinta, o quello che noi vediamo come fuoco. È rumorosa ed emozionante, ma non così efficiente.

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

Tale energia viene poi convertita e utilizzata per ionizzare o caricare positivamente i propellenti a gas inerte come Xenon e Krypton (no, non viene dal pianeta natale di Superman). Una combinazione di campi elettrici e magnetici (propulsore ad effetto Hall) o un campo elettrostatico (ione reticolato) accelera gli ioni e li spinge fuori dal propulsore portando, nel tempo, la navicella spaziale a velocità tremende. E invece del fuoco, il suo scarico è una scia luminosa di colore blu-verde, come qualcosa di fantascientifico.

Credits: NASA/ATS Lisa Liuzzo

Drag race vs. road trip

Una navicella spaziale chimica è un dragster di carburante di alto livello quando parte dall’orbita terrestre verso la sua destinazione. Lo scoppio iniziale è abbastanza potente, ma può andare nella direzione in cui punta solo quando si preme il “pedale dell’acceleratore”. La navicella spaziale è spenta come un proiettile, ma dopo che la sua riserva di carburante è esaurita, c’è poca capacità nell’accelerare, rallentare o cambiare direzione. Quindi, la missione è bloccata in specifiche finestre di lancio e tempi di partenza orbitali, e può fare solo minime correzioni lungo il percorso.

Una navicella a propulsione elettrica, una volta nello spazio, è fuori per un viaggio attraverso il paese, limitato 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 ne è un perfetto esempio. Dopo il lancio, ha accelerato verso Vesta nella fascia degli asteroidi. A causa dei piccoli array solari della navicella spaziale ci sono voluti più di cinque anni per arrivarci, ma man mano che si avvicinava, la navicella ha girato di 180 gradi, ha acceso i propulsori per rallentare ed è rimasta in orbita per un anno. Una volta terminato, si è riaccesa e ha viaggiato fino a Cerere, dove ancora oggi orbita. Questo non sarebbe stato possibile con le navicelle a propulsione chimica.

Sistemi come quello di Dawn sono ampiamente utilizzati in tutta la NASA e nel settore commerciale, tipicamente operanti nell’intervallo 1-10 kilowatt (kW). Ma mentre ci prepariamo ad usare la propulsione elettrica per missioni scientifiche e tecnologiche più complesse, e per la prima volta nelle missioni umane, avremo bisogno di più potenza.

Più potenza per le persone!

Il Power and Propulsion Element (PPE) per Gateway dimostrerà una propulsione elettrica solare avanzata e ad alta potenza. Si tratta di una navicella spaziale di classe 60kW, 50 dei quali possono essere dedicati alla propulsione, il che la rende circa quattro volte più potente delle attuali navicelle a propulsione elettrica. Non lo facciamo costruendo un unico grande propulsore, ma combinandone diversi in una stringa con giganteschi array solari.

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

Pur essendo un elemento critico dei nostri piani di esplorazione lunare di Artemis, i DPI contribuiranno anche a guidare gli investimenti commerciali statunitensi in sistemi di propulsione elettrica di maggiore potenza, come quelli che potrebbero essere utilizzati per arrivare su Marte.

Prossima fermata, Marte

I futuri veicoli di trasferimento su Marte avranno bisogno di circa 400kW-2 megawatt di potenza per traghettare con successo i nostri astronauti o il nostro carico da e per il Pianeta Rosso. Stiamo ancora esplorando i concetti di veicoli e propulsione per Marte, compresa una combinazione di propulsione nucleare elettrica e chimica e altre opzioni emergenti come la Propulsione Termica Nucleare.

Credits: NASA

Non importa come arriveremo sulla Luna ed eventualmente su Marte, una cosa è certa… il futuro dell’esplorazione dello spazio è eccitante, si potrebbe anche dire elettrizzante.