Un razzo nucleare per andare su Marte: Nasa e Darpa studiano il motore a fissione / A nuclear rocket to go to Mars: NASA and Darpa study the fission engine

Un razzo nucleare per andare su Marte: Nasa e Darpa studiano il motore a fissione / A nuclear rocket to go to Mars: NASA and Darpa study the fission engine

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

L’annuncio per un sistema di propulsione che riduca anche di 3 volte il tempo di percorrenza, primi prototipi forse già nel 2027. L’atomo è al centro di programmi per alimentare insediamenti lunari e marziani.

C’è anche il nucleare, nel piano per tornare sulla Luna e poi fare rotta verso Marte. Per entrambe le destinazioni serve tanta energia per spedire uomini e mezzi, rifornimenti e strutture abitabili. Carichi pesanti, ambienti adatti alla permanenza umana, quindi più grandi e difficili da trasportare.

La potenza in teoria già c’è, ma se ne può sfruttare molta di più usando la fissione per spingere i razzi verso la meta, anche per missioni umane: ne sono convinti la Nasa e la Darpa (la sigla sta per Defense advanced Research projects agency), che hanno annunciato una collaborazione per lo sviluppo di un prototipo di propulsione termico nucleare nello Spazio. In sintesi: lo stadio superiore di un razzo che sfrutta il calore generato dalla fissione. Il progetto si chiama Draco (Demonstration rocket for agile cislunar operations), e secondo quanto riporta la Nasa, potrebbe essere testato già nel 2027.

Un piccolo reattore nel motore

I razzi, meccanicamente, funzionano tutti allo stesso modo: dopo la combustione, il gas viene espulso verso il basso attraverso ugelli e questo genera la spinta verso l’alto, è il principio di azione e reazione. Anche un motore termonucleare funziona così, solo che per riscaldare il gas non si usa una reazione chimica (come nel caso di idrogeno e ossigeno, per esempio) ma il calore generato dalla fissione nucleare. Secondo la Nasa, il motore termonucleare sarà “almeno 3 volte più efficiente rispetto alla propulsione chimica tradizionale”. Significa riduzione dei tempi e dei costi.

Lo sforzo di trovare soluzioni sempre migliori per viaggiare più veloce e con più potenza risponde alle esigenze dei futuri programmi spaziali, americani ed europei insieme. Innanzi tutto la Luna: il programma Artemis  punta a sbarcare nel 2025 con un equipaggio, ma negli anni successivi ci sarà gran traffico da e per il nostro satellite. Si costruirà una stazione spaziale orbitale, il Gateway, ci sono progetti per realizzare, sulla sua superficie, un insediamento, una sorta di Moon Village. I carichi da trasportare saranno tanti e pesanti: “La capacità di ottenere progressi straordinari nella tecnologia spaziale attraverso il programma di propulsione termonucleare Draco sarà essenziale per il trasporto più efficiente e rapido dei materiali sulla Luna e delle persone su Marte” ha dichiarato Stefanie Tompkins, direttrice della Darpa.

“Con l'aiuto di questa nuova tecnologia, gli astronauti potrebbero viaggiare verso e dallo Spazio profondo più velocemente che mai", ha sottolineato il direttore della Nasa, Bill Nelson.

Andare su Marte in 45 giorni

Quanto più velocemente? L’Agenzia spaziale Americana non lo dice. Il viaggio di andata per Marte dura tra i 6 e i 9 mesi e la finestra di lancio si apre solamente ogni 26 mesi, perché bisogna attendere che la Terra e il Pianeta Rosso siano alla minima distanza l’uno dall’altra. Un motore così tanto più efficiente sarebbe una rivoluzione.

Ancor più che per la Luna, per una missione umana su Marte occorrerà probabilmente portare in anticipo materiali e rifornimenti. È previsto che una missione possa durare 21 mesi. Accorciare di due terzi o più il tempo trascorso in viaggio ridurrebbe il rischio per gli astronauti. C’è un altro progetto per un razzo che sfrutta sia il nucleare termico sia il nucleare elettrico (il calore viene trasformato in energia elettrica che alimenta un propulsore a ioni, ha un impulso molto più lungo ma più debole). È inserito nel programma Innovative Advanced Concepts (NIA) della Nasa da Ryan Gosse della University of Florida, Gainesville, e promette di arrivare su Marte in appena 45 giorni.

Ma stiamo parlando di prototipi di motori che non hanno mai volato. Nonostante la propulsione termonucleare sia oggetto di studio e di sperimentazione fin dagli anni ‘50, da quando cioè l’uomo ha iniziato a fare uso del nucleare anche per scopi civili, comunque un’eredità dello studio per applicazioni militari. Sia l’America sia l’URSS studiarono soluzioni di questo tipo, ci sono stati anche test (in particolare nel programma Nerva, Nuclear engine for Rocket vehicle application and rover, sempre della Nasa) nell’ipotesi che un tipo di razzo nucleare a fissione potesse costituire lo stadio superiore del razzo del programma Apollo. Ma non prese mai la via del cielo: “Gli ingegneri - si legge sul sito della Nasa - non riuscirono a risolvere i problemi relativi alla schermatura per l’equipaggio e la paura delle radiazioni nei luoghi di (eventuali, ndr) incidenti”. Problemi con i quali avranno a che fare, probabilmente, anche gli ingegneri che lavorano a Draco.

 Andare su Marte in 45 giorni

Andare su Marte in 45 giorni

Quanto più velocemente? L’Agenzia spaziale Americana non lo dice. Il viaggio di andata per Marte dura tra i 6 e i 9 mesi e la finestra di lancio si apre solamente ogni 26 mesi, perché bisogna attendere che la Terra e il Pianeta Rosso siano alla minima distanza l’uno dall’altra. Un motore così tanto più efficiente sarebbe una rivoluzione.

Ancor più che per la Luna, per una missione umana su Marte occorrerà probabilmente portare in anticipo materiali e rifornimenti. È previsto che una missione possa durare 21 mesi. Accorciare di due terzi o più il tempo trascorso in viaggio ridurrebbe il rischio per gli astronauti. C’è un altro progetto per un razzo che sfrutta sia il nucleare termico sia il nucleare elettrico (il calore viene trasformato in energia elettrica che alimenta un propulsore a ioni, ha un impulso molto più lungo ma più debole). È inserito nel programma Innovative Advanced Concepts (NIA) della Nasa da Ryan Gosse della University of Florida, Gainesville, e promette di arrivare su Marte in appena 45 giorni.

Ma stiamo parlando di prototipi di motori che non hanno mai volato. Nonostante la propulsione termonucleare sia oggetto di studio e di sperimentazione fin dagli anni ‘50, da quando cioè l’uomo ha iniziato a fare uso del nucleare anche per scopi civili, comunque un’eredità dello studio per applicazioni militari. Sia l’America sia l’URSS studiarono soluzioni di questo tipo, ci sono stati anche test (in particolare nel programma Nerva, Nuclear engine for Rocket vehicle application and rover, sempre della Nasa) nell’ipotesi che un tipo di razzo nucleare a fissione potesse costituire lo stadio superiore del razzo del programma Apollo. Ma non prese mai la via del cielo: “Gli ingegneri - si legge sul sito della Nasa - non riuscirono a risolvere i problemi relativi alla schermatura per l’equipaggio e la paura delle radiazioni nei luoghi di (eventuali, ndr) incidenti”. Problemi con i quali avranno a che fare, probabilmente, anche gli ingegneri che lavorano a Draco.

Il nucleare nello Spazio

La fissione nucleare è una soluzione anche per produrre energia sulla superficie di altri mondi. A cominciare dalla Luna. L’esplorazione umana del programma Artemis prevede di sbarcare al Polo Sud, dove ci sono condizioni particolari. Margini di crateri come lo Shackleton hanno il vantaggio di essere toccati praticamente sempre dalla luce solare, da sfruttare con pannelli, proprio accanto a depressioni sempre in ombra. Negli altri luoghi, però, il giorno lunare dura due settimane, e poi ci sono due settimane di buio. Non c’è verso di usare le rinnovabili (la Luna non ha atmosfera, quindi niente vento). La Nasa sta valutando da tempo proprio l’utilizzo di mini centrali nucleari, piccoli impianti di fissione cui collegare gli insediamenti lunari e marziani.

A giugno 2022 l’Agenzia spaziale USA ha annunciato la firma di 3 contratti per altrettanti progetti di sviluppo di prototipi da testare sulla Luna “entro la fine del decennio”, una fase che vedrà procedere in parallelo quindi la fissione per propulsione e quella per l’approvvigionamento energetico. E che poi saranno usati magari su Marte, dove il giorno dura più o meno come quello terrestre, ma il Sole è fino a 100 milioni di chilometri più lontano e la quantità di energia che arriva è inferiore. Inoltre, l’atmosfera marziana ha la fastidiosa abitudine di sollevare tempeste di sabbia planetarie che possono accecare qualsiasi pannello solare. È già successo con un paio di sonde, l’ultima Insight, che si è spenta soffocata da un velo rosso che non le ha lasciato scampo.

Comunque, l’energia atomica è già usata nelle missioni spaziali, anche se in maniera molto meno hard del processo di fissione: i rover Curiosity e Perseverance hanno un cuore al plutonio. Il calore del decadimento del nucleo dell’elemento radioattivo, oltre a scaldare i circuiti nel gelo marziano, viene trasformato in elettricità da un generatore termoelettrico a radioisotopi. Questo sistema, attualmente, tiene accese anche le sonde Voyager 1 e 2 (decollate 45 anni fa (ancora trasmettono dati dai confini del Sistema Solare) e New Horizons, che dopo averci mostrato per la prima volta da vicino Plutone, si sta involando verso nuovi oggetti nella fascia di Kuiper.

ENGLISH

The announcement for a propulsion system that even reduces travel time by 3 times, first prototypes perhaps as early as 2027. The atom is at the center of programs to power lunar and Martian settlements.

There is also nuclear power, in the plan to return to the Moon and then set course for Mars. Both destinations need a lot of energy to ship men and vehicles, supplies and habitable structures. Heavy loads, environments suitable for human permanence, therefore larger and more difficult to transport.

The power already exists in theory, but much more can be exploited by using fission to propel rockets towards their destination, even for human missions: NASA and Darpa are convinced of this (the acronym stands for Defense advanced Research projects agency), who announced a collaboration to develop a nuclear thermal propulsion prototype in space. In summary: the upper stage of a rocket that exploits the heat generated by fission. The project is called Draco (Demonstration rocket for agile cislunar operations), and according to NASA reports, it could be tested as early as 2027.

A small reactor in the engine

Rockets, mechanically, all work in the same way: after combustion, the gas is expelled downwards through nozzles and this generates upward thrust, it is the principle of action and reaction. Even a thermonuclear engine works like this, only that to heat the gas we don't use a chemical reaction (as in the case of hydrogen and oxygen, for example) but the heat generated by nuclear fission. According to NASA, the thermonuclear engine will be "at least 3 times more efficient than traditional chemical propulsion". It means reduction of time and costs.

The effort to find ever better solutions to travel faster and with more power responds to the needs of future space programs, both American and European. First of all the Moon: the Artemis program aims to land in 2025 with a crew, but in the following years there will be great traffic to and from our satellite. An orbital space station, the Gateway, will be built, and there are plans to build a settlement, a sort of Moon Village, on its surface. The loads to be transported will be many and heavy: "The ability to achieve extraordinary advances in space technology through the Draco thermonuclear propulsion program will be essential for the more efficient and rapid transport of materials to the Moon and people to Mars" said Stefanie Tompkins, director of DARPA.

"With the help of this new technology, astronauts could travel to and from deep space faster than ever before," said NASA director Bill Nelson.

Go to Mars in 45 days

How much faster? The US Space Agency does not say so. The outward journey to Mars takes between 6 and 9 months and the launch window only opens every 26 months, because you have to wait for the Earth and the Red Planet to be at the minimum distance from each other. An engine that much more efficient would be a revolution.

Even more than for the Moon, for a manned mission to Mars it will probably be necessary to bring materials and supplies in advance. A mission is expected to last 21 months. Shortening travel time by two-thirds or more would reduce the risk to astronauts. There is another project for a rocket that uses both thermal nuclear and electric nuclear (heat is transformed into electrical energy which powers an ion thruster, it has a much longer but weaker impulse). It is entered into NASA's Innovative Advanced Concepts (NIA) program by Ryan Gosse of the University of Florida, Gainesville, and promises to get to Mars in just 45 days.

But we are talking about prototype engines that have never flown. Although thermonuclear propulsion has been the subject of study and experimentation since the 1950s, i.e. since man began to use nuclear power also for civilian purposes, in any case a legacy of study for military applications. Both America and the USSR studied solutions of this type, there were also tests (in particular in the Nerva program, Nuclear engine for Rocket vehicle application and rover, also by NASA) in the hypothesis that a type of nuclear fission rocket could constitute the upper stage of the Apollo program rocket. But it never took the road to heaven: "The engineers - we read on the NASA website - failed to solve the problems relating to shielding for the crew and the fear of radiation in the places of (possible, ed) accidents". Problems that the engineers working on Draco will probably also have to deal with.

  Go to Mars in 45 days

How much faster? The US Space Agency does not say so. The outward journey to Mars takes between 6 and 9 months and the launch window only opens every 26 months, because you have to wait for the Earth and the Red Planet to be at the minimum distance from each other. An engine that much more efficient would be a revolution.

Even more than for the Moon, for a manned mission to Mars it will probably be necessary to bring materials and supplies in advance. A mission is expected to last 21 months. Shortening travel time by two-thirds or more would reduce the risk to astronauts. There is another project for a rocket that uses both thermal nuclear and electric nuclear (heat is transformed into electrical energy which powers an ion thruster, it has a much longer but weaker impulse). It is entered into NASA's Innovative Advanced Concepts (NIA) program by Ryan Gosse of the University of Florida, Gainesville, and promises to get to Mars in just 45 days.

But we are talking about prototype engines that have never flown. Although thermonuclear propulsion has been the subject of study and experimentation since the 1950s, i.e. since man began to use nuclear power also for civilian purposes, in any case a legacy of study for military applications. Both America and the USSR studied solutions of this type, there were also tests (in particular in the Nerva program, Nuclear engine for Rocket vehicle application and rover, also by NASA) in the hypothesis that a type of nuclear fission rocket could constitute the upper stage of the Apollo program rocket. But it never took the road to heaven: "The engineers - we read on the NASA website - failed to solve the problems relating to shielding for the crew and the fear of radiation in the places of (possible, ed) accidents". Problems that the engineers working on Draco will probably also have to deal with.

Nuclear power in space

Nuclear fission is also a solution for producing energy on the surface of other worlds. Starting with the moon. The human exploration of the Artemis program plans to land at the South Pole, where there are special conditions. Margins of craters such as Shackleton have the advantage of being practically always touched by sunlight, to be exploited with panels, right next to depressions that are always in the shade. In other places, however, the lunar day lasts two weeks, and then there are two weeks of darkness. There is no way to use renewables (the Moon has no atmosphere, so no wind). NASA has been evaluating the use of mini nuclear power plants for some time, small fission plants to connect lunar and Martian settlements.

In June 2022, the US Space Agency announced the signing of 3 contracts for as many development projects for prototypes to be tested on the Moon "by the end of the decade", a phase that will therefore see fission by propulsion and that for 'energy supply. And which will then perhaps be used on Mars, where the day lasts more or less like that of Earth, but the Sun is up to 100 million kilometers further away and the amount of energy that arrives is lower. Additionally, the Martian atmosphere has a nasty habit of kicking up planetary dust storms that can blind any solar panel. It has already happened with a couple of probes, the latest Insight, which went out suffocated by a red veil that left it no way out.

However, atomic energy is already used in space missions, albeit in a much less harsh way than the fission process: the Curiosity and Perseverance rovers have a plutonium heart. The heat from the decay of the nucleus of the radioactive element, in addition to heating the circuits in the Martian frost, is transformed into electricity by a radioisotope thermoelectric generator. This system currently also keeps the Voyager 1 and 2 probes on (which took off 45 years ago (they still transmit data from the confines of the Solar System) and New Horizons, which after showing us Pluto for the first time from near, is flying towards new objects in the Kuiper belt.

Da:

https://www.repubblica.it/tecnologia/2023/01/31/news/un_razzo_nucleare_per_andare_su_marte_nasa_e_darpa_studiano_il_motore_a_fissione-385616123/?ref=fbpr&fbclid=IwAR1-LKiw6iooBQYrX8d_NyGPtoO2Ky0XXzgMB_h244WA-z8ix1g13lQYKiU