Le scoperte avanzate della propulsione sono vicine. I veicoli spaziali sono rimasti bloccati per anni a basse velocità di razzi chimici e per decenni a deboli propulsori di ioni. Tuttavia, sono possibili velocità superiori a un milione di miglia all'ora prima del 2050. Ci sono nuove sorprendenti innovazioni con progetti tecnicamente fattibili.
La NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) sta finanziando due concetti ad alto potenziale. Le nuove unità ioniche potrebbero essere dieci volte migliori in termini di ISP e livelli di potenza diecimila volte superiori. Sono in fase di sviluppo la propulsione ad antimateria e gli azionamenti ionici multi-megawatt.
Questo è scritto da Brian Wang di Nextbigfuture. Brian scriverà regolarmente articoli come ospite per Universe Today.
Propulsione e velocità nello spazio
Quali sono le astronavi più veloci che abbiamo realizzato?
La navicella spaziale Voyager 1 si sta muovendo a 38.000 mph (61.000 km/h). Ciò è stato ottenuto principalmente con un razzo chimico ma anche con una fionda gravitazionale. I veicoli spaziali Juno, Helios I e Helios II hanno raggiunto velocità nell'intervallo di 150.000 mph utilizzando spinte gravitazionali. La sonda solare Parker lanciata di recente raggiungerà i 430.000 mph utilizzando la gravità del sole.
L'accelerazione gravitazionale può aumentare la velocità di un veicolo spaziale di molte volte. Tuttavia, usare la gravità di Giove e del Sole per ottenere più velocità fa perdere molto tempo. La navicella impiega molti mesi per girare intorno al Sole e prendere velocità prima di iniziare la vera missione.
Migliori velocità e tempi dei razzi chimici
Il rifornimento di un grande razzo come lo SpaceX BFR può produrre tempi di viaggio sorprendentemente buoni su Marte.
Rifornimenti orbitali multipli di SpaceX BFR in un'orbita alta possono massimizzare la velocità del BFR. Un BFR SpaceX completamente alimentato ridurrebbe il viaggio di sola andata su Marte a soli 40 giorni. Al posto di un trasferimento di Hohmann verrebbe utilizzata un'orbita parabolica.
Le missioni spaziali su Marte sono state piccole astronavi. L'intera missione è stata lanciata dalla Terra. Ciò significa che la maggior parte del carburante è stata utilizzata per rimuovere il sistema dalla Terra. La fase finale è minuscola e lenta.
Rifornimento di SpaceX BFR in orbita, è possibile per una grande missione spaziale a propulsione chimica con un delta-V fino a 10,0 chilometri al secondo. Questo è circa 100 volte più grande delle precedenti missioni Terra-Marte e tre volte più veloce.
Tabella delle velocità di azionamento
Le velocità del propellente sono confrontate di seguito. La propulsione avanzata può andare da venti a cinquanta volte più veloce dei razzi chimici e dei propulsori ionici esistenti.
Space Shuttle Solid Rocket Booster 250 ISP 2,500 meters per second. Liquid oxygen-liquid hydrogen 450 ISP 4,400 meters per second. Ion thruster 3000 ISP 29,000 meters per second. New Lithium-ion drive 50000 ISP 480,000 meters per second (1.07 million mph). Positron Dynamics catalyzed fusion 100000 ISP 980,000 meters per second (2.1 million mph). Advanced catalyzed fusion 1000000 ISP 9,800,000 meters per second. (21 million mph)
Propulsione avanzata: unità agli ioni di litio da più megawatt
Il JPL (Jet Propulsion Lab) testerà un propulsore agli ioni di litio da 50000 ISP entro 4 mesi. Questo fa parte di uno studio di fase 2 della NASA NIAC per utilizzare i laser per trasmettere 10 megawatt di potenza a nuove unità ioniche.
Molte persone non sono a conoscenza dei recenti progressi con laser più potenti. L'esercito americano sta sviluppando array di laser in grado di produrre 100 kilowatt entro i prossimi 2 anni. I militari dovrebbero disporre di array laser da megawatt entro il 2025 circa.
Gli ioni di litio alimentati a raggio laser sono dieci volte più veloci di qualsiasi precedente unità a ioni. Una navicella spaziale con questo sistema impiegherebbe meno di un anno per raggiungere Plutone.
JPL sta costruendo e testando i vari componenti di questo sistema. La vela e le unità ioniche si stanno unendo. La parte difficile sono i laser phased array.
Stanno aumentando la tensione di prova fino a 6000 volt in modo che le unità agli ioni di litio possano essere azionate direttamente. L'azionamento diretto elimina la necessità di molta elettronica pesante che ucciderebbe le prestazioni.
La densità di potenza sarà cento volte superiore all'energia solare basata sul sole. Ridurranno le dimensioni del sistema utilizzando una lunghezza d'onda del laser di 300 nanometri invece di 1063 nanometri.
L'unità multi-megawatt agli ioni di litio presenta sfide tecniche. Tuttavia, un progetto ben finanziato può avere successo prima del 2040.
Propulsione avanzata: Positron Dynamics – Positron Catalyzed Fusion Drive
Positron Dynamics ha fornito aggiornamenti alla NIAC e Brian Wang ha intervistato il CEO di Positron Dynamics Ryan Weed.
I problemi per creare e immagazzinare antimateria sono evitati. Gli isotopi di Krypton sono usati per generare positroni caldi. Più isotopi possono essere prodotti utilizzando reattori che producono neutroni. Questo evita il problema della creazione di antimateria.
L'antimateria non viene immagazzinata, il che è fantastico perché non sappiamo come immagazzinare l'antimateria. I positroni vengono creati e quindi diretti in un processo che produce propulsione a fusione. Questo risolve anche il problema dell'uso dell'antimateria per generare propulsione.
Positron Dynamics rallenta i positroni che vengono generati. Hanno un piccolo dispositivo moderatore. Utilizza diversi strati di pellicola di carburo di silicio per estrarre i singoli positroni. Un campo elettrico fa sì che le particelle vadano alla deriva sulla superficie di ogni strato dove possono raffreddarsi. I positroni catalizzano le reazioni di fusione in un denso blocco di deuterio. Questo produce propulsione.
Di: Brian Wang di Nextbigfuture.