Impaziente? Una navicella spaziale potrebbe raggiungere Titano in soli 2 anni utilizzando un motore a fusione diretta
Potere di fusione è la tecnologia che è lontana trent'anni, e lo sarà sempre, almeno secondo gli scettici. Nonostante la sua difficile transizione in una fonte di energia affidabile, le reazioni nucleari che alimentano il sole hanno un'ampia varietà di usi in altri campi. Il più ovvio è nelle armi, dove bombe all'idrogeno sono fino ad oggi le armi più potenti che abbiamo mai prodotto. Ma c'è un altro caso d'uso che è molto meno distruttivo e potrebbe rivelarsi molto più interessante: le unità spaziali.
Il concetto di azionamento a fusione, chiamato azionamento a fusione diretta (o DFD ) è in fase di sviluppo presso il Princeton Plasma Physics Laboratory ( PPPL ). Scienziati e ingegneri lì, guidati da Dott. Samuel Cohen , stanno attualmente lavorando alla seconda iterazione di esso, nota come la configurazione invertita del campo di Princeton-2 ( PFRC-2 ). Alla fine gli sviluppatori del sistema sperano di lanciarlo nello spazio per testarlo e alla fine diventare il sistema di azionamento principale dei veicoli spaziali che viaggiano attraverso il nostro sistema solare. C'è già un obiettivo particolarmente interessante nel sistema solare esterno che è simile alla Terra in molti modi: Titano . I suoi cicli liquidi e il potenziale per ospitare la vita hanno affascinato gli scienziati da quando hanno iniziato a raccogliere dati su di esso. E se utilizzassimo correttamente il DFD, potremmo inviare una sonda lì in poco meno di due anni, secondo una ricerca condotta da un team di ingegneri aerospaziali presso il dipartimento di fisica della città di New York. Facoltà di Tecnologia , guidato dal Professor Kezerashvili romano e affiancato da due compagni del Politecnico di Torino in Italia - Paolo Aime e Marco Gajeri.
Il team coinvolto nel derivare le traiettorie DFD ottimali. Da sinistra a destra: Marco Gajeri, Dr. Samuel Cohen, Paolo Aime, Prof. Roman Kezerashvili, al PPPL.
Credito: Prof. Roman Kezerashvili
Sebbene sia ancora in fase di sviluppo, il motore stesso utilizza molti dei vantaggi della fusione aneutronica, in particolare un rapporto potenza/peso estremamente elevato. Il carburante per un azionamento DFD può variare leggermente in massa e contiene deuterio e un elio-3 isotopo. Anche con quantità relativamente piccole di carburante estremamente potente, il DFD può superare i metodi di propulsione chimica o elettrica comunemente usati oggi. Il impulso specifico del sistema, che è una misura dell'efficienza con cui un motore utilizza il carburante, è stimato essere paragonabile ai motori elettrici, i più efficienti attualmente disponibili. Inoltre, il motore DFD fornirebbe 4-5 N di spinta in modalità a bassa potenza, solo leggermente inferiore a quello che produrrebbe un razzo chimico per lunghi periodi di tempo. In sostanza il DFD prende l'eccellente impulso specifico dei sistemi di propulsione elettrica e lo combina con l'eccellente spinta dei razzi chimici, per una combinazione che fonde il meglio di entrambi i sistemi di volo.
Video di Princeton Satellite Systems che descrive il funzionamento tecnico del DFD.
Credito: canale Youtube di Princeton Satellite Systems
Tutte queste specifiche migliorate sono fantastiche, ma per essere utili devono effettivamente portare una navicella spaziale da qualche parte. Gli autori dell'articolo hanno scelto Titan, soprattutto perché è relativamente lontano ma anche estremamente interessante per la sua cicli liquidi e abbondante molecole organiche . Per mappare il percorso migliore verso la luna più grande di Saturno, il team italiano ha collaborato con gli sviluppatori del DFD presso PPPL e ha ottenuto l'accesso ai dati sulle prestazioni dal motore di test. Hanno quindi estratto alcuni dati aggiuntivi sugli allineamenti planetari e hanno iniziato a lavorare su alcuni meccanismi orbitali. Ciò ha portato a due diversi percorsi potenziali, uno in cui la spinta costante è stata applicata solo all'inizio e alla fine del viaggio (chiamato profilo spinta-costa-spinta - TCT -) e uno in cui la spinta è stata costante per tutta la durata del viaggio.
UT spiega perché è importante esplorare Titano.
Entrambi i viaggi hanno comportato la commutazione della direzione della spinta per rallentare la navicella spaziale per entrare nel sistema di Saturno. Fornire una spinta costante porterebbe il viaggio a poco meno di 2 anni, mentre il profilo TCT comporterebbe una durata totale del viaggio di 2,6 anni per un veicolo spaziale molto più grande di Cassini . Entrambi questi percorsi non richiederebbero alcun aiuto gravitazionale, di cui hanno regolarmente beneficiato i veicoli spaziali che viaggiano verso i pianeti esterni. Cassini, l'ultima famosa missione per visitare il sistema di Saturno, ha utilizzato una serie di assist gravitazionali tra Venere e la Terra per raggiungere la sua destinazione, un viaggio durato quasi 7 anni. Una cosa importante da notare, afferma Marco Gajeri, l'autore corrispondente dell'articolo, è che la finestra che rende questi viaggi di breve durata i più efficienti si apre intorno al 2046. Anche se non tra 30 anni, dà molto al team di PPPL più tempo per migliorare il loro design attuale.
Tuttavia, altre sfide sorgono una volta che una sonda abilitata DFD raggiunge quel sistema saturniano. L'orbita intorno al secondo pianeta più grande del sistema solare è relativamente facile. Il trasferimento delle orbite alla sua luna più grande è molto più difficile. Risolvere questo problema richiede di affrontare il problema dei tre corpi , un problema di meccanica orbitale notoriamente difficile che implica la risoluzione delle orbite di tre diversi corpi orbitali (cioè la navicella spaziale, Saturno e Titano).
Immagine dell'unità DFD PFRC-2 al lavoro.
Credito: utente di Wikipedia Cswancmu / PPPL
Con tutta la meccanica orbitale fuori mano e il veicolo spaziale in sicurezza nell'orbita di Titano, può iniziare a sfruttare un altro dei vantaggi del DFD: può fornire energia diretta ai sistemi del veicolo spaziale. La maggior parte delle missioni del sistema solare esterno si basa su generatori termici di radioisotopi ( RTG ) per la loro fonte di alimentazione. Ma un DFD è in effetti una fonte di energia oltre ad essere una fonte di spinta. Se progettato correttamente, potrebbe fornire tutta la potenza di cui una navicella spaziale ha bisogno per una lunga durata della missione.
Questa lunga durata della missione significa che il DFD potrebbe essere utile in una vasta gamma di missioni. Gli autori che hanno studiato la missione su Titano hanno anche esaminato il potenziale per una missione sugli oggetti transnettuani, che finora sono stati visitati solo da New Horizons, che ha impiegato 9 anni per raggiungere Plutone. Inutile dire che un DFD ridurrebbe drasticamente il tempo necessario per compiere quel viaggio. E se sarà operativo nei prossimi 30 anni, può iniziare a fungere da forza trainante per tutti i tipi di nuove missioni di esplorazione.
Per saperne di più:
arXiv: una missione Titan usando il Direct Fusion Drive
Marco Gajeri - Tesi di Laurea Magistrale - Progettazione della traiettoria per una missione Titan utilizzando il Direct Fusion Drive
ITER – Avere fusione, viaggerà
Il prossimo grande futuro – Unità Direct Fusion di classe Megawatt per ISP 25X e 3 volte più veloce su Plutone
Credito immagine caratteristica: Concezione artistica del Direct Fusion Drive. Credito: Princeton Satellite Systems