L`esplorazione dell`universo

Vi consiglio di prenotare a questo link:
http://www.planetariodimodena.it/pr_eve.php#
Dal razzo chimico al razzo elettrico, fino
alla propulsione nucleare ed all’ascensore
spaziale.
Relatore: LUIGI BORGHI
4

A 300 Km. di altezza
ci sono ancora atomi
di azoto e ossigeno,
quindi il mezzo che
vogliamo mandare
in orbita lo
dobbiamo porre ad
una altezza
maggiore. Più in lato
è più tempo rimarrà
in orbita. A 1000 km
di altezza ci sono
ancora circa
100.000 elettroni
liberi per cm3.





Lo spazio non è omogeneo perché è ricco di concentrazioni
gravitazionali (pianeti, stelle, asteroidi, nubi di gas, ecc..)
La dinamica del volo spaziale è pertanto complessa e non
sempre intuitiva.
Prima di tutto occorrono dei punti di riferimento e nello
spazio profondo, lontano decine di anni luce da ogni stella,
non sono scontati!
Facciamo un esercizio mentale: siamo legati sul sedile
posteriore di una limousine, con i finestrini chiusi e
oscurati, al buio. Non sappiamo se siamo rivolti in avanti o
indietro.
Come facciamo a sapere a che velocità andiamo e in che
direzione andiamo? Stiamo accelerando o stiamo frenando?
Occorre un sistema di riferimento
inerziale.
Coordinate comoventi!
La posizione media delle galassie.
9
Prima Velocità Cosmica
(PVC), di almeno 26.000
km/h, la Terra non riesce a
riportare giù il proiettile in
quanto la forza di gravità,
tecnicamente una forza
centripeta, è equilibrata da
quella centrifuga generata
dal moto rotatorio, quindi è
in "caduta libera".
 Questo stato di volo
comunque è chiamato
"regime di microgravità".

La Low Earth Orbit
(LEO), che si estende
per qualche centinaia di
chilometri sopra la
superficie terrestre è il
luogo nel quale si
muovono la maggior
parte dei satelliti e dei
veicoli abitati. (200 -:2000 km)
L'orbita non è
perfettamente circolare
ma ellittica (Keplero),
dove la Terra (o il Sole
come in figura) occupa
uno dei due fuochi
dell'ellisse.
La Terra, nel nostro caso, si muove nello spazio (29,8
km/s) e sebbene il nostro veicolo si muova insieme
ad essa, talvolta ci troviamo a "correrle dietro" o a
"vedercela venire incontro” (animazione).
 Sebbene la forza di gravità della Terra sia stata
compensata, il veicolo e tutto quello che c'è dentro è
soggetto alla propria attrazione gravitazionale o a
quella del resto dell'universo.
 Si tratta di forze infinitesimali, ma ci sono.

12

Se l’orbita, quasi
circolare, si trova a
36.000 km dalla
superficie terrestre
(sul piano
dell’equatore), viene
chiamata
“geostazionaria”
perché impiega
esattamente 24 ore
per compiere
un’orbita.
Velocità all’equatore: 1.666 km/h
Velocità del satellite: 10.995 km/h
14


Esiste poi una (SVC) nota anche come velocità
di Fuga. Se vogliamo abbandonare la Terra
occorre vincere definitivamente la forza di
gravità terrestre (traiettoria E). In pratica
dobbiamo fornire al nostro veicolo una quantità
di energia tale da superare quella generata dalla
gravità terrestre ed è di poco superiore ai 40.000
km/h, raggiunta la quale siamo nel campo del
volo interplanetario, ma ancora nel sistema
solare. (11 km/s). Ci siamo liberati della Terra
ma non del Sole.
Poi c’è la terza velocità cosmica per uscire
dal sistema solare di 44 km/s, ma attenzione:
16.7*3600=60120 km/h dalla parte del
moto della Terra intorno al Sole.
72.7*3600=261720 km/h dalla parte
opposta


Alla fine del '700
l'astronomo francese
Lagrange scoprì che i
giochi gravitazionali tra la
Terra e la Luna, ma anche
tra tutti gli astri (di certe
dimensioni) orbitanti
attorno ad altri astri,
creano con le loro forze di
gravità delle zone dove le
attrazioni gravitazionali si
annullano ed un corpo
posto in queste zone vi
rimarrà indefinitamente.
(vedi figura e filmato)
In realtà non sono punti ma orbite
quasi-periodiche intorno a questi
punti, chiamate orbite halo, orbite
di Lissajous oppure orbite di
Lyapunov.
16
Terra= 29 kms
Venere= 35 kms


Il sistema solare è affollato! Ci
sono altri pianeti che hanno una
loro attrazione gravitazionale.
Facendo precipitare la nostra
sonda su di essi, con una certa
angolazione, si otterrà una
deviazione ed una modifica della
velocità. Tale fenomeno è
chiamato gravity assist ed è molto
usato per le sonde spaziali.
Il calcolo è comunque complesso e
rischioso: collidere, orbitare o
sbagliare traiettoria.
1) In atmosfera: Jet, Ramjet, Scramjet
2) Nel vuoto dello spazio:
a) Razzo chimico e mezzi attuali.
b) Motore a ioni (razzo elettrico)
c) Motore convertibile (SABRE jet-razzo dello Skylon),
d) Vela solare,
e) Fionda gravitazionale (già vista).
3) Il futuro o quasi:
a) Fissione nucleare ad impulso (già collaudato).
b) Fusione nucleare a riscaldamento.
c) Motore impossibile della NASA (EM Drive).
d) Antimateria.
19


I moderni aerei di linea volano a quote molto elevate perché lì la
resistenza dell'aria è ridotta. Ciò permette all'aereo di viaggiare
più veloce, compensando così la minore densità dell'aria che
scorre sotto le ali. (1.000; 4.500; 10.000; 25.000; 35.000).
Un aereo non può volare oltre certe quote, in quanto l'aria
diventa troppo rarefatta, tanto che l'ala perde di efficacia e la
propulsione dell'aereo, perde ossigeno per bruciare il
combustibile. Quindi un aereo non vola nello spazio!
turbogetto
Vantaggi:
Partenza da fermo
Buon range di velocità
Problemi:
Bassa velocità. Difficile oltre Mach2
Complessità
Manutenzione
Affidabilità
Funziona solo in atmosfera
Turbofan
21




Lo Statoreattore, (Ramjet) è un tipo di motore a getto progettato da
William Avery.
Lo statoreattore riduce la complessità del motore a reazione eliminando
molte delle parti in movimento. In particolare viene eliminato il
compressore in quanto è la velocità stessa del velivolo a
comprimere l'aria che entra nella presa. In questo modo diventano
superflue le ventole del compressore.
Dal momento che le ventole fungevano anche da generatori elettrici, i
mezzi dotati di ramjet dovranno avere batterie o altre sorgenti di
energia.
Un Ramjet non funziona a bassa velocità, quindi
non parte da fermo.
22
Un esempio di motore ibrido che cambia configurazione
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all’aumentare della velocità. 3.540 km/h a 26.000 m di quota.
23
Obiettivo: l’utilizzo su
aerei civili e/o militari in
grado di operare ad
altezze tra i 25 ed i 30 km
con velocità ipersoniche
(7-:-10 Mach), a basso
consumo, basso costo
alta affidabilità e basso
inquinamento. Quindi
possibile un intervento
in qualsiasi parte del
globo in poco più di
un’ora
FILMATO (da 1:42)
25





Il razzo è la soluzione.
A fine1800 il matematico russo
Konstantin Ziolkovskij (1857-1935)
teorizzò che un veicolo a razzo potrebbe
muoversi nello spazio vuoto. Contestato!
l’americano Robert Hutchings Goddard
(1882-1945) nel 1921. Era dello stesso
parere del collega russo, sebbene i due
non si siano mai conosciuti, e non si
limitò solo a teorizzare, ma iniziò a
realizzare razzi sperimentali.
In Germania con il professore Hermann
Julius Oberth (1894-1976), e Werner Von
Braun (1912-1977), la sperimentazione
divenne tecnologia industriale,
implementata poi in USA (a partire dalla
V1 tedesca).
In URSS c’era Sergei Korolev, padre
dell’astronautica sovietica. (anche lui con
la sua V1 tedesca).
Combustibile solido.
Combustibile liquido
Schema di razzo a propellente solido e liquido.
Il prodotto della massa del gas espulso per l’accelerazione subita
genera la spinta.
27


Vantaggi: semplice, spesso senza ‎parti in movimento‎‎. La
pianificazione della spinta può essere progettata nel grano‎
(fuel/oxidiser mixture) del combustibile. Maggiori
prestazioni rispetto a razzi a propellente liquidi.
Svantaggi:‎la regolazione della spinta, fermarlo e
riaccenderlo è normalmente impossibile. Richiederebbe
una particolare progettazione spesso non conveniente.
Problematica la gestione e la lavorazione della miscela
infiammabile. Se la superficie combustibile granulosa
dell’involucro interno crepa può bloccare l’ugello con
risultati disastrosi. Più difficile che semplicemente
riempire dei serbatoi di rifornimento di carburante.‎
Vantaggi: ‎fino a ~ 99% efficienza di combustione con
controllo eccellente della miscela. Può essere spento e
riacceso. Il combustibile e l’ossidante possono essere
utilizzati con turbopompa alleggerendo i serbatoi
(maggiore velocità di uscita, minore massa). È
estremamente sicuro e affidabile.
 Svantaggi: ‎le pompe necessarie per le alte prestazioni
sono molto costose. Enormi flussi termici attraverso
la parete della camera di combustione possono avere
un impatto sul riutilizzo. I guasti possono produrre
grandi esplosioni. È necessario impianto idraulico
molto complesso.‎

Il razzo chimico a combustibile liquido.
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Motore SSME (RS-25)
Rocketdyne della Pratt &
Whitney
Idrogeno-ossigeno
Prova di tiro (collaudo) di un
motore della navetta statunitense
Space Shuttle.
Uno dei più efficaci disponibili
oggi.
Spinta circa 200 t
Peso: 3,2 ton, diametro 2,4 m.
Temperatura di funzionamento:
-250 °c -:- +3300 °c
Consumo: 1 t (H+O) al sec.
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Costo: 14 Mil.$
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(35.360 rpm)
Un pensionato eccezionale!
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




Altezza dello Space Shuttle: 56,14 m
Altezza dell'orbiter: 37,23 m
Apertura alare: 23,79 m
Massa alla partenza: 2.041.000 kg
Spinta alla partenza: 34,8 MN (3.400 t)
SSME: 3 x 1,8 = 5.4 MN (500 t)
SSRB: 2 x 14,7 = 29,4 MN (2.900 t)
Massa al rientro (solo orbiter): 104.000
kg
Carico massimo trasportabile: 28.800 kg
Orbita: da 185 a 643 km
Velocità: 27.875 km/h
Posti astronauti: 10 (di solito l'equipaggio
va da 5 a 7 persone tra piloti, specialisti
di missione e scienziati) .
36
Saturno V
(NASA )
Conosciuto anche come
Razzo Lunare, il razzo
multistadio a combustibile
liquido
(x Apollo e Skylab), Saturno
è il modello fisicamente
più grande prodotto della
famiglia di razzi Saturn
(Wernher von Braun al
Marshall Space Flight
Center).
Un totale di 13 Saturn V
furono lanciati tra il 1967
e il 1973, e tutti furono un
successo.
Resta ad oggi il razzo più
potente in assoluto
Consumo carburante del
1° stadio: 14 t/sec.
37
600 tonnellate
di spinta per
ogni motore F1.
Totale 3000 t.
38
70 m.
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39
Altezza 102,32 m.
 Diametro 8,4 m.
 Massa Variabile
 Stadi 2
(+2 booster laterali)
 Carico utile:
verso LEO
70 -:- 130t.
 Volo inaugurale
2017-18

70 m.
H2 giapponese
Angara russo
Lunga marcia cinese

Argentina, Australia, Brazil, China,
Europe, France, Germany, India,
Indonesia, Iran, Iraq, Israel, Italy, Japan,
New Zealand, North Korea, Romania,
Russia, South Africa, South Korea,
Soviet Union and successor states, Spain,
Taiwan, Turkey, Ukraine, United
Kingdom, United States.
44




Il kerosene, il combustibile più usato per i moderni aerei a reazione e
la propulsione a razzo.
Le tecnologie criogeniche per l'immagazzinamento dell'idrogeno
(diventa liquido a -252,77 °C) e dell'ossigeno (LOX 50,5 K,
−222,65 °C), oltre che combustibili sono usati anche come
raffreddanti. L'uso della criogenica, e di propergoli chimici molto
aggressivi con tutto quello con cui entrano in contatto, comporta
una serie di problemi tecnici non da poco.
Questo significa che solo chi possiede un certo livello tecnologico
può accedere a certi "livelli" spaziali.
Quando l’accensione combustibile-comburente avviene con il
semplice contatto si tratta di un propellente “Ipergolico”. (idrazina
con il tetrossido di azoto o con l’acido nitrico) utilizzati per i
thruster del controllo di assetto.


Ridurre i costi di lancio dagli attuali $ 20-:-25.000 al kg a
meno di $ 2.500, è l’obiettivo dei prossimi razzi,
attraverso il riutilizzo di alcune parti dell’insieme di
lancio.
Lo shuttle fu l’inizio di questa strategia, ma costava
troppo.
Il recupero del primo stadio (SpaceX e Blue Origin).
 Il lancio da nave madre (Virgin, Stratolaunch).
 Completamente riutilizzabile come lo Skylon.
 Il recupero ed il riutilizzo della navetta orbitante. (X37-B
dell’USAF, Dream Chaser della SNC, ORION della Nasa,
CST-100 Boeing, Dragon della SpaceX, la veterana e ad oggi
unica Soyuz della Roscosmos). Ma queste servono soprattutto
per consentire il volo umano o per recuperare carichi
scientifici.

46

Il Dream Chaser è un
veicolo spaziale pianificato
per voli orbitali e
suborbitali con equipaggio
umano, a decollo verticale,
atterraggio orizzontale. Il
design è progettato per
portare sei persone verso
l’orbita bassa terrestre.
X-37B dell’USAF. Il veicolo ha
dimensioni pari a un quarto dello
Space Shuttle.
Le sue misure sono di circa 9 metri
di lunghezza e alto 2,9 metri con
una ampiezza delle ali di quasi 4
Risulterebbe essere allo studio una versione ingrandita dello
metri e 50.
Può rimanere
in orbita due
anni, muoversi
su varie
traiettorie e
atterrare in
modo
autonomo su
una pista
aeroportuale.
spazioplano in grado di portare un equipaggio nello spazio fino alla
Stazione spaziale internazionale; questa versione è al momento
nota come X-37C.
X-37B
Siamo circa a metà della serata!
Possiamo proseguire o vi sono
domande?
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Orbital module (A): 1 docking mechanism 2 and 4 Kurs antenna, 3 television
transmission antenna, 5 camera, 6 hatch
Descent Module (B): 7 parachute compartment, 8 periscope, 9 porthole, 11 heat
shield
Service module (C): 10 and 18 attitude control engines, 21 oxygen tank, 12 Earth
sensors, 13 Sun sensor, 14 solar panel attachment point, 16 Kurs antenna, 15 thermal
sensor, 17 main propulsion, 20 fuel tanks, 19 communication antenna.






Il CST-100 (Crew Space Transportation è un
progetto proposto da Boeing in collaborazione con
Bigelow Aerospace nell’ambito del Crew Sviluppo
Commerciale della NASA.
Il suo compito principale sarebbe quello di
trasportare equipaggi alla Stazione Spaziale
Internazionale e di stazioni spaziali private come la
proposta di Bigelow Aerospace.
Esteriormente sarebbe molto simile alla Orion, il
veicolo spaziale in costruzione per la NASA da
Lockheed Martin. Orion poerò sarà in grado di
frenare a velocità molto superiori.
Il CST-100 sarebbe in grado di supportare un
equipaggio fino a 7 persone.
È progettato per rimanere in orbita fino a sette mesi
e per riutilizzabilità fino a dieci missioni.
Il CST-100 sarebbe compatibile con i veicoli di lancio
multipli, tra cui la Atlas V , Delta IV , e Falcon 9.
Dimensions
Ø: 4.56 m
CM+SM: 5.03 m
CM: 3.14 m
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La navetta
ORION
della
NASA
5.029 m
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Cargo: carico pagante di 6 t.
Crew : 7 persone (per 7 giorni).
57
Escape movie
Virgin galactic space plane
Una compagnia del magnate inglese Sir Richard Branson
Space Ship
6 passeggeri per due ore e mezzo: 200.000$ (procapite).
03/03/2017 - Nasce
una nuova azienda
provata di lancio per
satelliti di piccola
taglia: la Virgin Orbit.
Di Sir Richard
Branson


La soluzione proposta dalla STRATOLAUNCH è derivata dall’idea della
Virgin Galactic per i voli suborbitali: un aereo madre che ospita sotto alla
carlinga il carico utile.
Nel caso della Virgin (lo Space Ship), il carico consiste in uno spazioplano
carico di passeggeri (turisti spaziali) in grado di fare una parabola suborbitale
oltre i cento chilometri di quota per poi atterrare sulla pista. Questo aereo di
Paul Allen invece vuole immettere in orbita bassa carichi utili di diverse
tonnellate attraverso un razzo (a perdere) sistemato sotto la carlinga in grado
appunto di lanciare in orbita il carico pagante. Questo significa avere a
disposizione una potenza decisamente maggiore.
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
Vantaggi:


Spinte enormi: combinando diversi motori si arriva oltre
le 3000 tonnellate di spinta (Apollo).
Svantaggi:
Enormi quantità di carburante (più del 90% del peso del
razzo).
 Enormi sbalzi di temperatura (da -250 c° a +3000 c°)
 Rapida usura dei componenti a contatto con i
propellenti.
 Breve durata della spinta (pochi minuti).

I motori a razzo elettrici.
Un disegno descrive il funzionamento di un
motore ionico a griglia elettrostatica
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Il propulsore
a Ioni del
Deep Space 1
della NASA
(24 ottobre 1998)
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
Chimici:





Elettrici (solo propellente):





Arcogetti = 1.000 s
Resistogetti = 300-400 s
Motori a ioni = 3.000-5.000 s
(teoricamente fino a 100.000 s)
Motori a plasma (VASIMIR) =
3.000 -:- 30.000 s
Nucleare: (solo propellente):



Propell.liquidi = 300 s
criogenici = 500 s
Propellenti solidi = 180-300 s
Propellenti ibridi = 300-350 s
Fusione = 3.000 s
Fissione = 1.000 s
Gas freddo (personale):



CO2: = 70 s
He: = 200 s
Idrogeno: = 300 s
68
VASIMIR
L'ideazione si deve al ricercatore ed exastronauta di origine costaricana Franklin
Chang-Diaz che ne ideò il primo prototipo nel
1979, e attualmente la ricerca è portata avanti
principalmente dalla Ad Astra Rocket Company
con cui la NASA ha siglato un accordo per
questo tipo di sperimentazione.
I propulsori testati oggi a terra hanno
un'efficienza intorno al 60% per il VX50,
capace di gestire potenze radio di 50kW per
0.5N di spinta e 70% di efficienza per il VX100
e una potenza massima radio gestibile dal
VX200 di 200kW.
Sarà proprio questo propulsore, nella versione
per lo spazio, il VS-200 a volare sulla ISS
probabilmente entro il decennio e ad essere
sperimentato per la prima volta nello spazio.
FILMATO: ..\..\..\..\..\Corso di astronomia
UTE\Lezioni\Filmati\Motori a Ioni\Plasma
Rocket.flv
69
71
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71
Questi nuovi satelliti che andranno ad osservare la terra ad altitudini
minori (tra 200 e 400 km) dovranno essere sviluppati con materiali
innovativi per contrastare la maggiore densità dell’atmosfera.
In programma anche lo sviluppo di un sistema sperimentale di
propulsione elettrica, che utilizzerebbe proprio l’atmosfera
residua come propellente, permettendo ai satelliti di rimanere in
orbita a tempo indeterminato (usura a parte).
I partner nella ricerca sono:
l'Università di Manchester, Elecnor
Deimos Satellite System, GomSpace
AS, Università di Stoccarda,
Universitat Politecnica de Catalunya,
University College di Londra, The
TechToybox, Euroconsult e concentris
gestione della ricerca.
Il progetto è prevista per una
durata di 51 mesi a partire dal
gennaio 2017.
Il progetto dello spazioplano Britannico Skylon è pronto ad affrontare un importante test.
la compagnia Britannica Reaction Engines Ltd, ha recentemente superato rigorosi ed indipendenti
controlli del progetto (Peer Review).
Le sue dimensioni sono di circa 84 metri di lunghezza e con un peso di circa 275 tonnellate al
decollo. In confronto il traliccio principale della Stazione Spaziale Internazionale - il più grande
veicolo spaziale mai costruito - è lungo circa 109 metri e pesa circa 370 tonnellate.
(2016) Esa ha finanziato con 10 milioni di € per provare a terra un SABRE.
La Reaction Engines
(Oxfordshire), prevede di
testare presto il SABRE,
il rivoluzionario motore
ibrido jet/razzo. In ballo
ci sono 350 milioni di
dollari dei fondi dei
finanziatori e forse il
futuro del progetto.
Hotol (Horizontal take-off
and landing), lo Skylon avrà
un carico utile di 10 t. Ogni
veicolo sarà capace di
decollare nuovamente entro
due giorni dall'atterraggio e
con una possibilità di
effettuare circa 200 missioni
durante la sua vita operativa.
Filmato
Skylon



Il motore SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine) brucerà
idrogeno ed ossigeno come un jet per la prima parte del volo,
raccogliendo l'ossigeno dall'aria atmosferica.
A 26 km di altitudine e Mach 5 si trasformerà in un razzo bruciando
l'ossigeno e l'idrogeno contenuto a bordo.
La sfida tecnologia: abbassare la temperatura di una quantità di circa
400 kg di aria al secondo da oltre 1000 c° a -150, in un centesimo di
secondo! Quando sarà operativo? 10-:-20 anni.
Autonomia; indipendenza;
resistenza all’ambiente;
affidabilità, comunicazione,
flessibilità, gestione del
guasto (fault tolerant);
avanzato grado di AI.
Generatore
termoelettrico a
radioisotopi
(RTG)
Filmato Curiosity
77
Provate a pensare di esplorare
tutto il nostro pianeta a piedi
o con un mezzo che viaggia a 3
kmh! Servirebbero
generazioni!
 Impossibile! Bisogna volare!

Affrontiamo ora il
futuro
a medio e lungo
termine
(20-:-50 anni)
Un incontro (casuale) con lo
scienziato astrofisico Michio Kaku
a Milano.
Filmato Veicoli del futuro.
79
Le vele solari utilizzano come forza propulsiva
l'energia rilasciata dalle stelle sotto forma di
radiazione elettromagnetica.
 Sono in fase di studio e richiedono materiali ultra
leggeri e molto riflettenti.
 Il rendimento è massimo perché non ha bisogno
di combustibile, ma il rapporto
dimensione/spinta è il peggiore:
 Alla distanza della Terra dal Sole, occorrono 2
km2 di vela per avere poco meno di 1 kg di
spinta.

80

Un radiometro è un dispositivo
utilizzato per misurare il flusso della
radiazione elettromagnetica.
I fotoni- pur privi di
massa- possiedono
infatti energia e una
quantità di moto ( il
"momentum") che si
possono trasformare
in spinta.
29/03/2017
Per avere 1kg di spinta da una posizione vicina alla Terra occorre una
vela di 1,465 Km di lato, un’area di 2,147 Km2
pari a 0,46/ mg al m2 , pari a 0,34 mg/W.
Su Plutone è pari 0,28 microgrammi al m2
Alcuni esempi di
vele solari
Differenza tra vele e sistemi
propulsivi “tradizionali”
- non c'è perdita di massa (no limite
carburante)
- piccole accelerazioni ma continue
(si possono raggiungere grandi Velocità)
- il vettore di spinta non può essere orientato in
qualsiasi direzione e non si veleggia di
“bolina”.
La NASA sta esplorando
ancora un'altra possibilità: una
vele superveloce spinta dalle
particelle cariche presenti nel
vento solare. Si chiama vela
elettrica, o e-sail
83
Un reattore a fissione convenzionale potrebbe
riscaldare
un
propellente
a
temperature
estremamente elevate per generare spinta.
Anche se un razzo termico nucleare non ha ancora
volato, il concetto è andato vicino alla
realizzazione negli anni 1960 e 1970, con diversi
disegni costruiti e testati sul terreno negli Stati
Uniti.
Il Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application
(NERVA) è stato ritenuto pronto per l'integrazione
in un veicolo spaziale, prima che l'amministrazione
Nixon accantonasse l'idea di mandare la gente su
Marte e decimando il finanziamento del progetto.

Il NERVA NRX/XE era
in grado di generare
1.100 MW e le 75.000
libbre (33 t) di spinta
richieste dalle specifiche
per la missione su Marte.
Un altro progetto indipendente con raffreddamento
ad acqua noto come NF-1 (Nuclear Furnace) venne
usato per lo studio dei materiali futuri.
 Durante l'ultimo test dell'NRX, il reattore perse
meno di 13 chili di combustibile in due ore di
funzionamento, abbastanza poco da essere giudicato
pronto per una missione spaziale dalla Space Nuclear
Propulsion Office.
 Il progetto NERVA venne cancellato nel 1972, a
seguito del generale disinteresse verso la NASA
seguito alla fine del Progetto Apollo e dai trattati di
non proliferazione nucleare.

86

Un razzo a fusione sarebbe un migliaio di volte più
efficiente rispetto alla migliore razzo chimico. Ma
dopo molti decenni e un paio di miliardi di dollari di
finanziamenti per la ricerca i reattori sperimentali non
hanno ancora raggiunto un rendimento netto superiore
all’unità.
Il progetto, eseguito presso la University of Washington, funziona
facendo cadere un pellet di due isotopi di idrogeno, circondato da
anelli metallici in litio, in una camera di combustione.
Al momento giusto, un enorme campo magnetico sbatte gli anelli
metallici chiusi attorno al pellet, comprimendo il carburante a
pressioni incredibili, che porta appunto alla fusione. (un po' come il
motore di una automobile che utilizza esplosioni controllate di benzina).
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Il Progetto Orion è stato il primo serio tentativo di progettare
un veicolo spaziale a propulsione nucleare ed è stato portato
avanti tra il 1950 e il 1963 dalla General Atomics con il
sostegno della DARPA.
Il veicolo spaziale avrebbe dovuto essere costituito da un
razzo recante alla base un grande disco metallico montato su
un sistema di ammortizzatori; al centro del disco doveva
esservi un'apertura per il rilascio all'esterno di piccole bombe
atomiche a fissione. Le onde d'urto create in successione
dalle esplosioni di ciascuna bomba avrebbero colpito il disco
e fornito la spinta all'astronave.
Il razzo termo nucleare americano Orion ha un
corrispettivo russo. Il RD-0410 .
E’ tato provato nel sito di ricerche nucleari vicino
Semipalatinsk ed il suo impiego era stato previsto per la
missione proposta Kurchatov Mars 1994 con equipaggio
umano.
Orion
americano (in
alto e a destra).
RD-0410
sovietico
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(a sinistra).
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Spinta e durata: mettiamo a confronto i vari sistemi.
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Il motore impossibile.
I risultati dei test che la
NASA ha recentemente
ripetuto sul “motore
impossibile”, chiamato:
EM Drive.
In sostanza questo motore
parrebbe (il condizionale è
d’obbligo) trasformare
l’energia elettrica,
sottoforma di microonde,
direttamente in spinta, senza
la necessità della reazione,
cioè senza dover “sparare”
fuori dagli ugelli alcunchè!
Il test ha superato il Peer review, ma non è
ancora stato ufficializzato dalla NASA.
Quindi non c’è la prova che funziona
veramrnte.
Sembra che anche Cina e Russia ci stiano
lavorando
Nel 2009 i ricercatori dell'Università del Michigan
hanno sviluppato un tipo di nanomotore che potrebbe
essere modellato su un chip di silicio. Funziona un po’
come un acceleratore di particelle molto piccolo
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Al contrario delle vele solari alimentate da un laser da terra
(Breakthrough StarShot), qui energia, motori e propellente
sono a bordo navicella. Anche in questo caso abbiamo
parecchi problemi da risolvere.
I nano motori sono realizzabili già oggi ma resta il problema
del generatore elettrico che potrebbe essere un mix tra
pannelli solari e un generatore termoelettrico a radioisotopi
(radioisotope thermoelectric generator, RTG).
Il secondo problema resta comunque il propellente da
“sparare” dai micro getti, che deve essere caricato a bordo,
quindi una massa da portarsi dietro.
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L’antimateria a contatto con lo stesso tipo di materia
(annichilimento), produce la più alta densità di energia di
qualsiasi sostanza nota. E se utilizzato come combustibile,
potrebbe fornire di gran lunga il sistema di propulsione più
efficiente, dove il 40% dell'energia-massa del combustibile
viene convertito direttamente in spinta (rispetto al 1% per
la fusione, il prossimo più efficiente).
Nel 2006 il NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) ha
finanziato un team Gerald Smith of Positronics Research, per la
progettazione di una nave spaziale alimentata ad
antimateria. Hanno calcolato che solo 10 mg di antimateria
sarebbe sufficiente per inviare una nave a Marte in 45
giorni.
Il problema è quello di riuscire a generare abbastanza
carburante e poi immagazzinarlo da qualche parte.
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Ecco uno studio con
relative prove nei
laboratori del
centro Marshall
della Nasa (ma non
so cosa hanno
provato), in
collaborazione con
la Pennsylvania
University, di una
ipotetica quanto
fantascientifica
astronave ad
antimateria di tipo
impulsivo con un
motore tipo
Gli shock absorbers servono appunto per mitigare l’impulso di
ICAN-II.
spinta generato dalle microesplosioni provocate
dall’annichilimento materia/antimateria che si verifica
continuamente nella zona engine.
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Concetto la cui paternità viene ascritta al russo Konstantin Ciolkovskij che, a
fine XIX secolo, teorizzò una torre autoportante — da allora chiamata Torre di
Ciolkovskij — che dalla base sulla Terra avesse la sommità al limite dell'orbita
geostazionaria, oggi un eventuale ascensore vedrebbe altresì la sua massa
maggiore concentrata alla sommità piuttosto che alla base.
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Un ponte di Einstein-Rosen o cunicolo spazio-temporale,
detto anche wormhole (in italiano letteralmente "buco di
verme"), è una ipotetica caratteristica topologica dello
spaziotempo che è essenzialmente una "scorciatoia" da un
punto dell'universo a un altro, che permetterebbe di viaggiare
tra di essi più velocemente di quanto impiegherebbe la luce a
percorrere la distanza attraverso lo spazio normale.
Il wormhole viene spesso detto tunnel gravitazionale,
mettendo in rilievo la dimensione gravitazionale strettamente
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interconnessa alle altre due dimensioni: spazio e tempo.
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Il problema della distanza
Le distanze interstellari sono talmente enormi
da risultare ai limiti delle nostre capacità di
percezione e di comprensione, se non
addirittura al di fuori di esse.
 Se il Sole avesse le dimensioni di una biglia del
diametro di un centimetro, la distanza dalla
Terra sarebbe di poco più di un metro, il
diametro della Terra sarebbe circa quello di un
capello, la stella più vicina si troverebbe circa a
340 chilometri di distanza.
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Il problema della velocità
Anche correndo all’incredibile velocità di
60.000 chilometri all’ora (16,6 km/s), che è la
velocità con cui le sonde Voyager e
Newhorizons stanno lasciando il nostro
sistema solare, per raggiungere la stella più
vicina, a 4,3 anni luce da noi, occorrerebbero
circa
80.000 anni.
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Il problema della massa
Se si volesse mandare un oggetto delle
dimensioni di un autobus verso la stella più
vicina, e se si volesse compiere il viaggio in
900 anni, sfruttando la fusione nucleare
occorrerebbero circa un migliaio di serbatoi
di propellente delle dimensioni di una
superpetroliera.
Utilizzando sistemi di propulsione più
avanzati, ma ancora in fase di studio, come i
motori ionici o i propulsori ad antimateria,
occorrerebbero circa una decina di serbatoi di
propellente, ciascuno della dimensione di un
vagone ferroviario.
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Il problema dell’energia
Volendo inviare un veicolo della taglia di uno Shuttle verso la
stella più vicina, impiegando 50 anni, occorrerebbe una quantità
di energia pari a quella consumata da un paese come l’Italia
in 100.000 anni.
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1.
2.
3.
Per superare questa difficoltà, occorrerebbe:
un modo per poter utilizzare l’energia naturale presente nel
vuoto dello spazio (meccanica quantistica),
oppure una qualche scoperta eccezionale nella fisica della
produzione dell’energia (produzione e stoccaggio antimateria),
oppure un metodo per superare il vincolo imposto dalle leggi
dell’energia cinetica (antigravità, modifica della massa, ecc.)
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Filmato Veicoli del futuro.
Ci vediamo martedi prossimo con Ciro e la sua
“Storia della corsa allo spazio”
Prenotate su:
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