Con le recenti missioni su Marte, come Perseverance della NASA, Hope degli Emirati Arabi Uniti e Tianwen-1 della Cina, tutti successi strepitosi, potresti essere perdonato se pensi che arrivare su Marte sia facile. Ma c'è una grande differenza tra l'invio di un rover o di un orbiter sul pianeta rosso e l'invio del tipo di infrastruttura e tecnologia di cui avremo bisogno per creare una presenza umana lì.
Contenuti
- Vecchio affidabile: i sistemi di propulsione chimica che usiamo ora
- Migliorare i sistemi di propulsione chimica
- Perché la propulsione chimica non va da nessuna parte
- Un'opzione più efficiente: la propulsione elettrica
- L'elefante nella stanza: propulsione nucleare
- Non è l'uno o l'altro; è tutto quanto sopra
- Siamo pronti per Marte?
La propulsione chimica potrebbe averci portato fuori nel sistema solare, ma per la prossima fase umana esplorazione dello spazio, avremo bisogno di nuove tecnologie di propulsione per integrare quelle che abbiamo utilizzato per ultimi 50 anni. Per ottenere i dettagli su come potrebbe essere una propulsione per una spedizione con equipaggio su Marte, abbiamo parlato con Kareem Ahmed, professore associato presso il dipartimento di ingegneria meccanica e aerospaziale dell'Università della Florida centrale ed esperto di propulsione a razzo all'avanguardia sistemi.
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Questo articolo fa parte di Vita su Marte, una serie in 10 parti che esplora la scienza e la tecnologia all'avanguardia che permetteranno agli esseri umani di occupare Marte
Vecchio affidabile: i sistemi di propulsione chimica che usiamo ora
Per far volare un razzo attraverso l'atmosfera terrestre e fuori nello spazio, hai bisogno di molta spinta. Devi contrastare non solo l'attrito dell'atmosfera terrestre, ma anche la significativa forza di gravità, che riporta gli oggetti a terra.
Dagli anni '50, abbiamo utilizzato lo stesso principio di base per alimentare i razzi, chiamato propulsione chimica. Essenzialmente, accendi un propellente (una miscela di carburante e un ossidante), che crea calore. Questo calore fa espandere il materiale all'interno del razzo, che viene quindi espulso dalla parte posteriore del razzo. Questa espulsione del propellente crea spinta, che spinge il razzo verso l'alto con una forza tremenda, e questa forza gli permette di superare gli effetti della gravità e di fuggire nello spazio oltre il nostro pianeta.
“La propulsione a base chimica sta solo aggiungendo calore ai propellenti a velocità molto elevate. Quel propellente, una volta che lo hai a un calore molto elevato, si espande a una velocità molto elevata ", ha spiegato Ahmed. “Quella velocità è una funzione di quanto calore stai immettendo. Quindi pensaci come quando hai un'esplosione, hai un'enorme quantità di gas che si muove velocemente. E questa è la velocità.
Questo è il grande vantaggio che la propulsione chimica ha rispetto ad altri tipi di propulsione considerati: Velocità. La propulsione chimica aiuta i razzi ad andare molto, molto veloci. Ma non è sempre l'opzione più efficiente.
"Pensalo come una Prius contro una Corvette", ha detto Ahmed. "Se vuoi andare dal punto A al punto B molto velocemente, è difficile battere la propulsione chimica." Quando vuoi essere più efficiente, tuttavia, altri sistemi di propulsione possono entrare in gioco. "Se stai cercando di andare dal punto A al punto B a una velocità ragionevole ma con un'elevata efficienza, allora la propulsione chimica potrebbe non essere lo strumento giusto."
Migliorare i sistemi di propulsione chimica
Il principio della propulsione chimica potrebbe essere rimasto lo stesso negli ultimi decenni, ma quello non significa che non siano stati apportati miglioramenti alla tecnologia, come la ricerca su diversi tipi di carburante.
L'efficienza dei tipi di carburante è una questione di densità energetica: quanta energia può essere immagazzinata da una certa quantità di carburante. Ecco perché è difficile usare qualcosa come l'idrogeno come combustibile, anche se rilascia molto calore nelle reazioni chimiche, perché è così leggero e ha una bassa densità. È difficile immagazzinare molto idrogeno in una piccola quantità di spazio, quindi non è un carburante molto efficiente.
I razzi attuali usano molto spesso carburanti a base di cherosene - praticamente la stessa cosa del carburante per aerei - ma la grande area di interesse in questo momento sta guardando i carburanti a base di metano o gas naturale. Questo carburante non sarebbe necessariamente più efficace come propellente, ma sarebbe notevolmente più economico in quanto il gas naturale è abbondante e disponiamo già della tecnologia per raccoglierlo.
"Se SpaceX potesse utilizzare il gas naturale per far volare il suo Falcon 9, risparmierebbe molto e quindi accelererebbe l'esplorazione dello spazio", ha detto Ahmed come esempio. "Se potessimo ridurre il costo per raggiungere l'orbita esterna, ciò renderebbe lo spazio più accessibile per noi".
Un'altra area di ricerca riguarda il miglioramento dei motori stessi. Il team di Ahmed è uno dei numerosi gruppi che lavorano su un sistema chiamato motore a razzo a detonazione rotante, che potrebbe generare più potenza con meno carburante rispetto ai motori tradizionali.
Controllando attentamente la quantità di idrogeno e ossigeno immessi in un motore, la pressione può essere creata in modo più efficace. Ciò può ridurre le dimensioni di un motore a razzo eliminando la necessità di un compressore molto potente e utilizza anche il carburante in modo più efficiente. La tecnologia sarà presto utilizzabile: Ahmed afferma che l'aeronautica americana ha in programma di testare un tale motore entro il 2025.
Perché la propulsione chimica non va da nessuna parte
Per decollare dalla Terra, la propulsione chimica è essenziale. “Dal livello del suolo, la propulsione a base chimica diventa fondamentale perché è necessaria quella quantità di potenza per spostare quel peso da terra fino a un'altitudine più elevata. Per superare la forza gravitazionale”, ha spiegato Ahmed.
Ha citato l'esempio di SpaceX. Quando l'azienda lancia un razzo, perché non utilizza un sistema elettrico come quello utilizzato da Tesla? Le due società sono di proprietà della stessa persona, Elon Musk, quindi sicuramente potrebbero condividere le tecnologie. Ma un sistema di propulsione elettrica non può generare la quantità di spinta necessaria per far decollare un razzo: semplicemente non produce abbastanza energia.
Quindi dovremo continuare a utilizzare la propulsione chimica per il lancio di razzi per il prossimo futuro. Ma questo cambia una volta che un razzo è in orbita. Una volta che ha superato la gravità terrestre ed è nello spazio, è come usare il cruise control. Il controllo di un veicolo spaziale nello spazio richiede una spinta relativamente piccola, poiché non c'è attrito dell'aria o attrazione gravitazionale verso il basso da affrontare. Puoi persino utilizzare le forze gravitazionali dei pianeti e delle lune vicini.
Quindi un diverso sistema di propulsione può subentrare per operazioni più efficienti.
Un'opzione più efficiente: la propulsione elettrica
Una volta che un razzo è in orbita, spesso dovrà apportare modifiche alla traiettoria, piccoli aggiustamenti per modificare la sua velocità e assicurarsi che si stia dirigendo nella giusta direzione. Ciò richiede un sistema di spinta. “Hai bisogno di migliaia di newton solo per far volare un veicolo, per uscire dallo stato di velocità zero e per alzarlo e superare la forza gravitazionale del peso che stai trasportando. Ecco perché hai bisogno di un grande, grande sistema missilistico. Ma nell'orbita esterna, non hai più forze gravitazionali che ti influenzano, hai solo la tua velocità terminale che stai cercando di superare ", ha spiegato Ahmed.
E ci sono molti modi per generare la forza necessaria per regolare la rotta di un veicolo spaziale. "La spinta è spinta", ha detto. “Stai iniettando massa. Stai buttando via massa, quindi ti sposta nella direzione opposta. È la quantità di massa e quanto velocemente stai esaurendo quella massa.
Una tecnologia spesso utilizzata nei piccoli satelliti, o smallsat, è la propulsione elettrica. Usano l'energia elettrica (spesso raccolta utilizzando pannelli solari) per ionizzare un gas propellente. Questo gas ionizzato viene quindi espulso dalla parte posteriore del satellite utilizzando un campo elettronico o magnetico, creando una spinta che muove il veicolo spaziale.
Questo è un sistema estremamente efficiente che può utilizzare fino a 90% di carburante in meno rispetto alla propulsione chimica.
"Per la propulsione elettrica, la tua massa è molto piccola e non hai davvero bisogno di molta velocità per darti la spinta", ha detto Ahmed. E i sistemi di propulsione elettronica possono ionizzare praticamente qualsiasi materiale, quindi possono funzionare con tutto ciò che è disponibile.
L'elefante nella stanza: propulsione nucleare
Le persone sono spesso a disagio con l'idea dell'energia nucleare nello spazio. E ci sono certamente problemi di sicurezza che devono essere considerati quando si utilizza l'energia nucleare, specialmente per le missioni con equipaggio. Ma la propulsione nucleare potrebbe essere proprio l'asso che ci permette di visitare pianeti lontani.
"Il nucleare è in realtà altamente efficiente", ha spiegato Ahmed. Un sistema di propulsione nucleare funziona attraverso un reattore che genera calore, che viene poi utilizzato per riscaldare un propellente che viene espulso per creare spinta. Utilizza questo propellente in modo molto più efficiente rispetto alla propulsione a base chimica.
L'obiettivo della NASA è ridurre al minimo il tempo di viaggio dell'equipaggio tra la Terra e Marte a due anni, per quanto possibile.
Ed è sostenibile, che è il suo grande vantaggio. "Un sistema a base chimica, stai bruciando propellente e lo esaurisci, e non lo hai più", ha detto Ahmed. “Hai rilasciato quell'energia e l'hai persa. Rispetto a un sistema a base nucleare, l'uranio o il plutonio che utilizzerai è lì e non se ne andrà. È sostenibile mentre mantieni il tuo reattore principale.
Anche se questa reazione è sostenibile, tuttavia, il calore che genera deve ancora essere incanalato in una massa. Non vorrai esaurire l'uranio o il plutonio utilizzati nella reazione. La cosa utile è che il materiale da riscaldare può essere praticamente qualsiasi gas o solido, anche se il gas è preferibile poiché risponde meglio al calore.
Nello spazio non ci sono gas da usare, quindi dovresti comunque portarne alcuni con te. Ma su un pianeta con un'atmosfera, come Marte, potresti teoricamente usare gas prontamente disponibili come l'anidride carbonica come propellente.
La NASA sta attualmente esaminando i sistemi di propulsione nucleare per le missioni su Marte in particolare. “L'obiettivo della NASA è ridurre al minimo il tempo di viaggio dell'equipaggio tra la Terra e Marte a due anni, per quanto possibile. I sistemi di propulsione nucleare spaziale potrebbero consentire tempi di missione totali più brevi e fornire maggiore flessibilità ed efficienza per i progettisti di missioni", afferma l'agenzia ha scritto sui sistemi nucleari. Ma non sono state ancora prese decisioni definitive. "È troppo presto per dire quale sistema di propulsione porterà i primi astronauti su Marte, poiché rimane uno sviluppo significativo richiesto per ogni approccio".
Non è l'uno o l'altro; è tutto quanto sopra
Siamo ancora nelle prime fasi di pianificazione di una missione con equipaggio su Marte. Dobbiamo considerare i requisiti pratici e fattori come il costo quando si tratta di pianificare i nostri prossimi passi.
Ahmed non pensa che un sistema di propulsione si dimostrerà enormemente superiore agli altri. Invece, immagina una combinazione di diversi sistemi utilizzati in base alle specifiche esigenze della missione.
"Direi che tutti e tre i sistemi saranno necessari", ha spiegato. "Non hai un sistema di propulsione perfetto che si adatta a tutte le tue missioni." Sebbene sia possibile utilizzare la propulsione chimica per qualsiasi missione, lo è non sempre appropriato - ha paragonato questo a raggiungere un edificio accanto usando una Ferrari e sprecando un sacco di carburante quando potresti semplicemente camminare.
Per le missioni con equipaggio su Marte, "dovrai usare il nucleare, dovrai usare l'elettricità e la chimica di cui non puoi farne a meno", ha detto. Ad esempio, potresti utilizzare un sistema di propulsione elettrica per trasportare merci come habitat, utilizzare la propulsione nucleare per creare un affidabile sistema di trasmissione tra la Terra e Marte, quindi inviare i tuoi astronauti utilizzando una propulsione chimica sistema. Questo perché gli esseri umani sono, essenzialmente, pezzi di hardware pesanti. "La nostra massa non è leggera!" Egli ha detto. “Siamo una quantità significativa di massa, anche per pochi membri del personale. Quindi hai bisogno di quella propulsione a base chimica.
Siamo pronti per Marte?
Ci sono molte complessità nell'organizzare una missione con equipaggio su Marte. Ma quando si tratta di sistemi di propulsione, abbiamo la tecnologia per inviare una missione lì domani.
"I tradizionali motori a razzo basati sugli anni '50 ti porteranno lì", ha detto Ahmed. Il fattore limitante risulta essere qualcosa di più prosaico. "La domanda è quanto ti costerà."
L'invio di razzi su Marte utilizzando sistemi di propulsione a base chimica è semplicemente molto, molto costoso. E mentre c'è un appetito sia pubblico che accademico per una maggiore esplorazione di Marte, la quantità di denaro disponibile per una tale missione non è infinita. Pertanto, avremo bisogno di sviluppare e sfruttare tecnologie come i sistemi di propulsione elettrica o nucleare per rendere l'esplorazione più accessibile.
Anche nel regno della propulsione chimica, gli sviluppi della tecnologia, come i motori a detonazione rotativa oi nuovi combustibili, possono aiutare a ridurre i costi, il che promuoverà una maggiore esplorazione. "La sfida è sviluppare sistemi ingegneristici più economici degli attuali sistemi a razzo", ha affermato. “La tecnologia degli anni '50 ti porterà su Marte senza problemi. È semplicemente super, super costoso. E nessuno vorrà pagare per questo. Ma la tecnologia c'è".
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