Dagli ioni al plasma

Mentre nuovi stati nazionali si affacciano allo Spazio, oggi Cina e India, un domani forse Corea e Brasile, è ormai opinione largamente condivisa che in questo decennio assisteremo all’inizio di una dura competizione commerciale nell’ambito del sistema Terra-Luna, ad opera di un’agguerrita schiera di società private grandi e piccole, come SpaceX, Bigelow Aerospace, Orbital Sciences Corp, Virgin Galactic, Lockheed Martin Corporation e molte altre.

Traiettorie VASIMR 

Mentre si stanno allargando mercati già esistenti come quello dei lanciatori, ne stanno nascendo altri completamente nuovi, relativi sopratutto alla costruzione di strutture permanenti dedicate alla ricerca e all’esplorazione, ma anche allo sfruttamento delle risorse presenti sul posto e, perchè no, a scopi turistici. Tali strutture potranno essere costruite sia in orbita terrestre, sia in corrispondenza dei punti di librazione del sistema Terra – Luna, sia sulla faccia visibile della Luna.
In questo scenario così stimolante, anche la società privata ”Ad Astra Rocket Company” (AARC) gioca le sue carte. Al gioco si è prestata volentieri l’Agenzia Spaziale Italiana, che ha recentemente organizzato un incontro con Franklin Chang Diaz, presidente e amministratore delegato della società, nonché ingegnere e astronauta veterano della NASA, con sette voli sullo Shuttle al suo attivo, tra cui quello con il nostro Franco Malerba nel 1992. Oltre a Malerba, che ha brevemente integrato la relazione di Diaz, erano presenti vari dirigenti dell’Agenzia, una attenta platea di una trentina di esperti del settore, e due agenti del Tredicesimo Cavaliere.

Veicolo con sistema di propulsione VASIMR

Diaz ha presentato il VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), un nuovo e promettente sistema di propulsione spaziale basato sul plasma, la cui costruzione e commercializzazione sono la ragion d’essere della AARC. Le missioni nelle quali si potrebbe trarre vantaggio dalla propulsione VASIMR sono molteplici nell’ambito del sistema Terra – Luna, e ancor più al di fuori di esso, nello spazio interplanetario esterno. Ne farò qui di seguito un elenco sommario:

Se installato sulla ISS , un motore VASIMR potrebbe essere utilizzato per effettuare le frequenti correzioni d’orbita necessarie a mantenere la Stazione a un’altitudine adeguata. E infatti è proprio questo il compito assegnato al primo prototipo del motore che incomincerà la sperimentazione nel 2014, in base ad un accordo sottoscritto con la NASA.

Operazioni in orbita terrestre. Riposizionamento, rifornimento, riparazione, manutenzione e ritiro dal servizio di quasiasi tipo di veicolo o struttura orbitante.

Nave cargo Terra – Luna. Potrebbe trasportare grandi carichi dallo spazio orbitale terrestre alla superice della Luna, a costi ridotti

Missioni NEO. Ideale per rendez-vous con asteroidi o comete in rotta di avvicinamento alla Terra.

Missioni su Marte e nel Sistema Solare esterno. In teoria, proprio queste missioni rappresenterebbero il trionfo della propulsione VASIMR, che consentirebbe di tagliare del 50% la durata dei voli. Al costo, però, di sostituire l’alimentazione elettro-solare con quella elettro-nucleare. Ma toneremo su questo argomento più avanti.
Non si capirebbe appieno la portata del balzo tecnologico rappresentato dalla propulsione al plasma, se prima non si spendesse qualche parola su quella a ioni, alla quale è strettamente imparentata.
Il motore a ioni è un sistema di propulsione spaziale oggetto di studio fin dagli inizi del secolo scorso da parte di Hermann Oberth e Robert Goddard, due dei padri fondatori dell’astronautica. A differenza del razzo a propulsione chimica, che genera una fortissima spinta per brevi periodi, il motore a ioni produce una spinta debole, ma durevole nel tempo, infatti può restare operativo ininterrottamente per mesi, perfino annni. Queste caratteristiche così complementari rendono l’uno insuperabile come lanciatore, l’altro perfettto per la navigazione nello spazio. In breve, il principio di funzionamento del motore a ioni, e del suo successore, il motore al plasma, è riassumibile nel concetto di ottenere una spinta dall’emissione di un flusso di ioni (o di plasma) attraverso l’ugello di scarico del motore. Più il flusso è caldo, maggiore è l’efficienza del sistema, minori sono i consumi del propellente, che nel motore a ioni di solito è il gas xeno. Alcune importanti missioni sono state eseguite usando un motore a ioni, altre sono tuttora in corso, o in fase di progettazione.

E’ facile capire il funzionamento del VASIMR osservando l’immagine qui sopra. Come propellente si utilizza azoto, xeno o argon, ma anche deuterio o idrogeno. Il gas viene ionizzato e trasformato in plasma, poi ulteriormente riscaldato fino a temperature paragonabili a quelle del nucleo del Sole, tramite l’uso di onde radio. Il confinamento del plasma si ottiene grazie a intensi campi magnetici, fino a che esso non viene espulso attraverso l’ugello del motore a velocità elevatissima. Appaiono con evidenza numerose e sostanziali differenze rispetto al motore a ioni:

• Propulsione: plasma invece di ioni. Ciò permette di ottenere maggiore spinta ed efficienza. L’ultimo test eseguito a terra ha dato risultati superiori alle aspettative: velocità dei gas di scarico 50 km/sec, spinta 5,6 Newton, efficienza 72%, alimentazione 200 kw, propellente argon.
• Propellente: non solo xeno. Così’ è più facile reperire il propellente e i costi si riducono, le ultime quotazioni danno l’argon a 40 $/kg, lo xeno a 2000 $/kg.
• Confinamento magnetico: isola il plasma da ogni componente fisico della struttura, cosicché l’affidabilità e la longevità del sistema ne risultano accresciute
• Adattabilità: la spinta dei gas di scarico è regolabile in funzione delle caratterische della missione e l’intero sistema è facilmente modulabile.
• Alimentazione: i generatori dei campi magnetici e delle onde radio consumano molta energia elettrica che può essere ottenuta tramite pannelli solari, finchè la missione si svolge entro l’orbita di Marte.

Franklin Chang Diaz

Ma per missioni nel Sistema Solare esterno, dove la luce del Sole arriva molto fioca e i pannelli fotovoltaici non lavorano più, non resta che affidarsi a un generatore nucleare. Realizzarlo richiede però nuovi finanziamenti e studi approfonditi, e spinge in là di vari anni il giorno in cui potremo servirci del VASIMR al pieno della sua potenza. Né va sottovalutato il peso che una tecnologia concorrente, la vela solare, potrebbe avere, almeno nel Sistema Solare interno. In questo periodo triste, fatto di poche grandi idee e di molti tagli di bilancio, speriamo che l’irruzione di nuovi attori e tecnologie, e l’iniezione di capitale privato bastino a ravvivare la scena.

Fonte: Il Tredicesimo cavaliere