Propulsori a fusione magnetica per Marte / Magnetic fusion thrusters for Mars

Propulsori a fusione magnetica per Marte / Magnetic fusion thrusters for Mars

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

I propulsori a fusione magnetica applicherebbero campi magnetici alle particelle di plasma, un gas caricato elettricamente noto anche come "quarto stato della materia"

Propulsori a fusione magnetica potrebbe portare gli uomini su Marte molto più velocemente degli attuali razzi chimici. La proposta è arrivata da un fisico del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE).

I propulsori a fusione magnetica applicherebbero campi magnetici alle particelle di plasma, un gas caricato elettricamente noto anche come “quarto stato della materia”. Le particelle cariche verrebbero accelerate ed espulse nella parte posteriore di un razzo ed, a causa della conservazione della quantità di moto, spingerebbero in avanti l’astronave. 

Gli attuali propulsori al plasma, testati nello spazio, utilizzano i campi elettrici per accelerare le particelle. I propulsori a fusione magnetica accelererebbero le particelle usando la riconnessione magnetica, un processo che ha luogo sulla superficie del Sole e delle stelle, dove i campi magnetici convergono, si separano, e si riuniscono liberando grandi quantità di energia.

Questo processo avviene anche all’interno di dispositivi di fusione a forma di ciambella noti come tokamaks che in futuro, si spera, riusciranno a fornire energia pulita ed illimitata al genere umano. “Sto preparando questo concetto da un po’”, ha spiegato Fatima Ebrahimi, Fisica del PPPL, autrice del documento che spiega l’idea nel Journal of Plasma Physics. 

“Ho avuto l’idea nel 2017 mentre ero seduto su un ponte e pensavo alle somiglianze tra lo scarico di un’auto e le particelle di scarico ad alta velocità create dal National Spherical Torus Experiment (NSTX) del PPPL“, il precursore dell’attuale impianto di fusione di punta del laboratorio.

Propulsori a fusione magnetica: il potere del Sole

I propulsori a fusione magnetica prendono spunto dalle reazioni di fusione nucleare che avvengono nelle stelle e nel nostro Sole.

Questo processo combina elementi leggeri sotto forma di plasma, lo stato caldo e carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici che rappresenta il 99% dell’universo visibile, per generare enormi quantità di energia. 

Gli scienziati stanno cercando di replicare la fusione utilizzando diverse macchine che simulano il funzionamento del cuore di una stella per garantire una fonte di energia inesauribile all’umanità. I propulsori al plasma oggi in uso utilizzano campi elettrici per accelerare le particelle e generare una spinta. L’impulso specifico che producono è però molto basso.

Le simulazioni al computer effettuate al PPPL e al National Energy Research Scientific Computing Center, un DOE Office of Science User Facility del Lawrence Berkeley National Laboratory di Berkeley, in California, hanno dimostrato che i propulsori a fusione magnetica possono scaricare particelle a centinaia di chilometri al secondo, una velocità dieci volte più elevata dei propulsori chimici attualmente utilizzati.

I propulsori a fusione magnetica raggiungono una velocità tale che un’astronave potrebbe raggiungere i pianeti esterni in una manciata di mesi.

Come ha spiegato Ebrahimi: “I viaggi a lunga distanza richiedono mesi o anni perché l’impulso specifico dei motori chimici è molto basso, quindi il velivolo impiega un po’ di tempo per prendere velocità ma, se realizziamo propulsori basati sulla riconnessione magnetica, potremmo plausibilmente completare missioni a lunga distanza in un periodo di tempo più breve”.

Esistono tre differenze principali tra i propulsori a fusione magnetica di Ebrahimi e gli altri dispositivi. 

Il primo è che la modifica della forza dei campi magnetici può aumentare o diminuire la quantità di spinta prodotta. “Utilizzando più elettromagneti e più campi magnetici, è possibile in effetti regolare la velocità”, ha detto Ebrahimi.

In secondo luogo, la nuova propulsione a fusione produce spinta espellendo sia particelle di plasma che bolle magnetiche note come plasmoidi. I plasmoidi aggiungono potenza alla propulsione e nessun altro concetto di propulsore li incorpora.

Terzo, a differenza degli attuali concetti di propulsore che si basano su campi elettrici, i campi magnetici nel propulsore a fusione di Ebrahimi permettono al plasma all’interno del propulsore di essere costituito da atomi pesanti o leggeri. 

Questa flessibilità consente agli scienziati di adattare la quantità di spinta per una particolare missione. “Mentre altri propulsori richiedono elementi pesante come lo xeno, in questo concetto è possibile utilizzare qualsiasi tipo di gas si desideri”, ha detto Ebrahimi. Gli scienziati potrebbero preferire il gas leggero in alcuni casi perché gli atomi più piccoli possono muoversi più rapidamente.

Il PPPL porta avanti la ricerca sulla propulsione spaziale includendo anche altri concetti come l’Hall Thruster Experiment avviato nel 1999 dai fisici del PPPL Yevgeny Raitses e Nathaniel Fisch per studiare l’uso di particelle di plasma per veicoli spaziali in movimento. 

Raitses ed i suoi studenti stanno studiando l’uso di minuscoli propulsori Hall per dare ai piccoli satelliti chiamati CubeSats una maggiore manovrabilità mentre orbitano intorno alla Terra.

Ebrahimi ha sottolineato che il suo concetto di propulsore a fusione deriva direttamente dalla sua ricerca sull’energia di fusione. 

“Questo lavoro è stato ispirato dal passato lavoro di fusione e questa è la prima volta che i plasmoidi e la riconnessione sono stati proposti per la propulsione spaziale”, ha detto Ebrahimi. “Il prossimo passo è costruire un prototipo!”

ENGLISH

Magnetic fusion thrusters would apply magnetic fields to particles of plasma, an electrically charged gas also known as the "fourth state of matter"

Magnetic fusion thrusters could get humans to Mars much faster than current chemical rockets. The proposal came from a physicist at the Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) of the United States Department of Energy (DOE).

Magnetic fusion thrusters would apply magnetic fields to particles of plasma, an electrically charged gas also known as the “fourth state of matter.” The charged particles would be accelerated and ejected at the back of a rocket and, due to conservation of momentum, push the spacecraft forward.

Current plasma thrusters, tested in space, use electric fields to accelerate particles. Magnetic fusion thrusters would accelerate particles using magnetic reconnection, a process that takes place on the surface of the Sun and stars, where magnetic fields converge, separate, and reunite, releasing large amounts of energy.

This process also takes place inside donut-shaped fusion devices known as tokamaks which will hopefully be able to provide clean, unlimited energy to mankind in the future. “I've been preparing this concept for a while,” explained Fatima Ebrahimi, physicist at PPPL, author of the paper explaining the idea in the Journal of Plasma Physics.

“I got the idea in 2017 while sitting on a bridge and thinking about the similarities between car exhaust and the high-velocity exhaust particles created by PPPL's National Spherical Torus Experiment (NSTX), the precursor to the laboratory's current flagship fusion facility.

Magnetic fusion thrusters: the power of the Sun

Magnetic fusion thrusters take inspiration from nuclear fusion reactions that occur in stars and our Sun.

This process combines light elements in the form of plasma, the hot, charged state of matter composed of free electrons and atomic nuclei that accounts for 99% of the visible universe, to generate enormous amounts of energy.

Scientists are trying to replicate fusion using different machines that simulate the functioning of the heart of a star to ensure an inexhaustible source of energy for humanity. Plasma thrusters in use today use electric fields to accelerate particles and generate thrust. However, the specific impulse they produce is very low.

Computer simulations performed at PPPL and the National Energy Research Scientific Computing Center, a DOE Office of Science User Facility at Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley, California, have shown that magnetic fusion thrusters can discharge particles hundreds of kilometers per second, a speed ten times higher than the chemical thrusters currently used.

Magnetic fusion thrusters reach such speed that a spaceship could reach the outer planets in a matter of months.

As Ebrahimi explained: “Long-distance travel takes months or years because the specific impulse of chemical engines is very low, so the aircraft takes some time to pick up speed, but if we make thrusters based on magnetic reconnection, we could plausibly complete long-distance missions in a shorter period of time.”

There are three main differences between Ebrahimi's magnetic fusion thrusters and other devices.

The first is that changing the strength of magnetic fields can increase or decrease the amount of thrust produced. “By using more electromagnets and more magnetic fields, you can actually adjust the speed,” Ebrahimi said.

Second, the new fusion propulsion produces thrust by ejecting both plasma particles and magnetic bubbles known as plasmoids. Plasmoids add power to propulsion, and no other thruster concept incorporates them.

Third, unlike current thruster concepts that rely on electric fields, the magnetic fields in Ebrahimi's fusion thruster allow the plasma inside the thruster to be made up of heavy or light atoms.

This flexibility allows scientists to tailor the amount of thrust for a particular mission. “While other thrusters require heavy elements like xenon, in this concept you can use any type of gas you want,” Ebrahimi said. Scientists may prefer light gas in some cases because smaller atoms can move more quickly.

PPPL advances space propulsion research including other concepts such as the Hall Thruster Experiment initiated in 1999 by PPPL physicists Yevgeny Raitses and Nathaniel Fisch to study the use of plasma particles for moving spacecraft.

Raitses and his students are studying the use of tiny Hall thrusters to give small satellites called CubeSats greater maneuverability as they orbit the Earth.

Ebrahimi pointed out that his fusion drive concept comes directly from his research into fusion energy.

“This work was inspired by past fusion work and this is the first time that plasmoids and reconnection have been proposed for space propulsion,” Ebrahimi said. “The next step is to build a prototype!”

Da:

https://reccom.org/propulsori-a-fusione-magnetica-per-marte/?fbclid=IwAR1eH7kPVMrjE9SctwYHRj9tBenkwX0wkrPbbUUrboJWbx1eriG-CI4gtpU