Nuovo progetto di razzo nucleare per inviare missioni su Marte in soli 45 giorni

Viviamo in un’era di rinnovata esplorazione spaziale, in cui diverse agenzie stanno pianificando di inviare astronauti sulla Luna nei prossimi anni. Questo sarà seguito nel prossimo decennio da missioni con equipaggio su Marte da parte della NASA e della Cina, a cui potrebbero aggiungersi presto altre nazioni. Queste e altre missioni che porteranno gli astronauti oltre l’orbita terrestre bassa (LEO) e il sistema Terra-Luna richiedono nuove tecnologie, che vanno dal supporto vitale e dalla schermatura dalle radiazioni all’energia e alla propulsione. E quando si tratta di quest’ultima, la propulsione nucleare termica ed elettrica nucleare (NTP/NEP) è uno dei principali contendenti!

La NASA e il programma spaziale sovietico hanno dedicato decenni alla ricerca sulla propulsione nucleare durante la corsa allo spazio. Alcuni anni fa, la NASA ha rilanciato il suo programma nucleare con lo scopo di sviluppare la propulsione nucleare bimodale – un sistema in due parti costituito da un elemento NTP e NEP – che potrebbe consentire il transito su Marte in 100 giorni. Nell’ambito del programma NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) per il 2023, la NASA ha selezionato un concetto nucleare per lo sviluppo della Fase I. Questa nuova classe di sistema di propulsione nucleare bimodale utilizza un “ciclo di topping del rotore a onda” e potrebbe ridurre i tempi di transito su Marte a soli 45 giorni.

La proposta, intitolata “Bimodal NTP/NEP with a Wave Rotor Topping Cycle”, è stata avanzata dal Prof. Ryan Gosse, responsabile dell’area del programma Hypersonics presso l’Università della Florida e membro del team FLARE (Florida Applied Research in Engineering) . La proposta di Gosse è una delle 14 selezionate quest'anno dal NIAC per lo sviluppo della Fase I, che comprende una sovvenzione di 12.500 dollari per assistere nella maturazione della tecnologia e dei metodi coinvolti. Altre proposte includevano sensori, strumenti, tecniche di produzione, sistemi di alimentazione innovativi e altro ancora.

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La propulsione nucleare si riduce essenzialmente a due concetti, entrambi basati su tecnologie che sono state accuratamente testate e convalidate. Per la propulsione nucleare-termica (NTP), il ciclo consiste in un reattore nucleare che riscalda il propellente di idrogeno liquido (LH2), trasformandolo in idrogeno ionizzato (plasma) che viene poi incanalato attraverso gli ugelli per generare la spinta. Sono stati fatti diversi tentativi per costruire un test di questo sistema di propulsione, incluso il Project Rover, uno sforzo di collaborazione tra l'aeronautica americana e la Commissione per l'energia atomica (AEC) lanciato nel 1955.

Nel 1959, la NASA subentrò all'USAF e il programma entrò in una nuova fase dedicata alle applicazioni di volo spaziale. Ciò alla fine portò al Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA), un reattore nucleare a nucleo solido che fu testato con successo. Con la fine dell'era Apollo nel 1973, i finanziamenti del programma furono drasticamente ridotti, portando alla sua cancellazione prima che potessero essere condotti eventuali test di volo. Nel frattempo, i sovietici svilupparono il proprio concetto NTP (RD-0410) tra il 1965 e il 1980 e condussero un unico test a terra prima della cancellazione del programma.

La propulsione nucleare elettrica (NEP), d'altra parte, si basa su un reattore nucleare per fornire elettricità a un propulsore a effetto Hall (motore a ioni), che genera un campo elettromagnetico che ionizza e accelera un gas inerte (come lo xeno) per creare spinta. I tentativi di sviluppare questa tecnologia includono la Nuclear Systems Initiative (NSI) della NASA. Progetto Prometeo (dal 2003 al 2005). Entrambi i sistemi presentano notevoli vantaggi rispetto alla propulsione chimica convenzionale, tra cui un valore di impulso specifico (Isp) più elevato, efficienza del carburante e densità di energia praticamente illimitata.

Mentre i concetti NEP si distinguono per fornire un impulso specifico ad alta velocità per settimane o mesi alla volta, il livello di spinta è piuttosto basso rispetto ai razzi convenzionali e agli NTP. La necessità di una fonte di energia elettrica, afferma Gosse, solleva anche il problema dello smaltimento del calore nello spazio, dove la conversione dell’energia termica è del 30-40% in circostanze ideali. E mentre i progetti NTP NERVA sono il metodo preferito per le missioni con equipaggio su Marte e oltre, questo metodo presenta anche problemi nel fornire frazioni di massa iniziali e finali adeguate per le missioni ad alto delta-v.