Dalle palline del pachinko alle astronavi: 3. La sonda Hayabusa ed il progetto Orione

Modello in scala 1:1 della sonda giapponese Hayabusa.

Osservando le immagini  o il video del post precedente possiamo vedere come – dopo la partenza della pallina verso sinistra – il blocco di palline + magnete si è  spostato verso destra. La conservazione dell’impulso sancisce che se lanciamo un oggetto in una direzione ci spostiamo dalla parte opposta. 

Navi, aerei – sia ad elica che a reazione – sfruttano questo principio: spingono acqua o aria da una parte per avanzare nel verso opposto. Missili e razzi non sono diversi; inoltre –  sia perché richiedono enormi accelerazioni che perché devono muoversi nel vuoto dello   spazio  –  sono costretti a trasportare il gas al loro interno.

Foto dell'asteroide Hitokawa ripresa dalla sonda Hayabusa

Tutti i sistemi di propulsione spaziale si basano sul principio di azione e reazione: per ottenere la spinta necessaria si può usare una reazione chimica che espelle una  gran quantità di gas espulso ad velocità  supersonica   o – come nei motori a ioni - una  microscopica quantità di gas espulso a velocità prossima a quella della luce. Alle particelle di gas vengono strappati gli elettroni: gli atomi così ionizzati possono esser accelerati con un campo elettrostatico non diverso da quello presente nei vecchi televisori a tubo catodico. La missione giapponese Hayabusa,  sfruttava con successo la propulsione a ioni.  Questa complessa missione ha subito una serie interminabile di vicissitudini (narrate in un recente film), problemi e malfunzionamenti ma  è riuscita ad atterrare con successo sull’asteroide Hitokawa riportando sulla Terra per la prima volta  del materiale proveniente da un altro corpo celeste oltre alla Luna.
Non utilizzando una reazione chimica, questo tipo di motori è estremamente  efficiente ma poco potente, generando una lenta ma costante spinta adatta a missioni automatizzate destinate a passare decenni nello spazio interplanetario.

Ipotetica astronave classe Orione: l'esplosione nucleare
 spinge il disco in basso a destra. Il disco assorbe l'onda
d'urto e spinge l'astronave proteggendo allo stesso tempo
gli astronauti dalla radiazione. (da qui)

Al momento non si conoscono metodi di propulsione che facciano a meno del principio di azione e reazione: con l’energia nucleare si può fare a meno della propulsione chimica generando spinte enormi. Il progetto Orione - di cui abbiamo già parlato - prevedeva già negli anni ’60 di sfruttare la spinta dell’esplosione nucleare per accelerare delle vere e proprie astronavi con una efficienza migliaia di volte maggiore di quella dei razzi attuali. L’onda d’urto dell’esplosione atomica avrebbe colpito uno spesso disco posto sul retro dell’astronave. Questa piastra aveva la duplice funzione di schermare gli astronauti  dalle radiazioni e spingere – con un sistema di molle – tutta la navicella.  Con un sistema del  genere sarebbe stato possibile raggiungere Marte in due settimane (rispetto a quasi un anno delle missioni attuali) e Plutone in un anno. Varianti più sofisticate avrebbero potuto raggiungere anche il 5% della velocità della luce, rendendo plausibile un piano di esplorazione robotica dello spazio interstellare a noi vicino riconvertendo  allo stesso tempo una parte delle armi nucleari per scopi pacifici. Negli anni '60 il trattato di non proliferazione nucleare uccise Orione, lasciandoci sulla terra a giocare con le palline del pachinko e a zoppicare a poche centinaia di chilometri dalla Terra con  i combustibili chimici. 

(3, fine) Questo post in tre parti partecipa all'edizione di Febbraio 2012 de  'Il Carnevale della Fisica'  
Qui la prima parte
Qui la seconda parte

Astronavi di una realtà abbandonata: (2) il vero progetto Orione

Come accennato in un post precedente il progetto Orione (Orion Multi-Purpose Crew Vehicle) è una capsula in fase di sviluppo  dalla Lockheed Martin per conto della NASA. E' più grande  di quella dell'Apollo ma concettualmente simile a quella utilizzate nelle missioni lunari di quaranta anni fa. Dovrebbe essere in grado di mandare di nuovo astronauti nello spazio non prima del 2016.

Scopo ed obiettivi di questo progetto del costo di svariati miliardi di dollari  sono una debole eco dell'originale progetto Orione, avente come obiettivo la realizzazione di un razzo a propulsione nucleare in grado di raggiungere Marte in due settimane e Plutone in un anno.

Frontespizio del rapporto del  progetto Orione,
NASA-
General  Atomics,  1964

L'idea è semplice quanto efficace: si tratta di far esplodere un serie di  piccole bombe a fissione  ed sfruttare l'onda d'urto per accelerare l'astronave. La propulsione nucleare  è in grado di fornire una spinta migliaia di volte più efficiente dei propulsori chimici. Lo schema del veicolo è concettualmente molto semplice: in cima è posta la sezione abitata, del diametro di 40-50 metri ed alto altrettanto. La coda  del veicolo è composta da un grande disco in grado di assorbire la spinta delle esplosioni e schermare equipaggiamento ed astronauti. Le due sezioni sono unite da una serie di pistoni per assorbire e ridistribuire gradualmente lo shock dell'esplosione.

Il progetto - che ebbe inizio nel 1958 sotto la direzione del fisico nucleare Ted Taylor - annoverava nel team ricercatori del calibro di Freeman Dyson.

In quegli anni  avevano ancora luogo  i test nucleari nell'atmosfera: nel corso di questi fu provato che  piastre di metallo opportunamente sagomate, ricoperte di grafite e protette da un sottile strato d'olio potessero resistere all'esplosione nucleare e riuscire ad raggiungere la velocità di fuga dal nostro pianeta. Una navicella potrebbe essere lanciata direttamente dalla superficie del nostro pianeta o assemblata in orbita con mezzi convenzionali prima di partire per una missione interplanetaria sotto la spinta nucleare.

Schema del un veicolo interplanetario a propulsione nucleare proposto dalla General Atomics

Il progetto fu cancellato nella prima metà degli anni sessanta, quando furono proibiti tutti i test nucleari nell'atmosfera. Nonostante sia passato quasi mezzo secolo,   Orione rimane l'unico sistema per una vera esplorazione del sistema solare e interstellare, riuscendo teoricamente a raggiungere qualche percento della velocità della luce.

Per approfondire:

Project Orion:
The True Story of the Atomic Spaceship,
George Dyson

The Curve of Binding Energy:
A Journey Into
the Awesome and Alarming
 World of Theodore B. Taylor 
John McPhee 

Astronavi di una realtà abbandonata: (1) dal Saturno V al Buran

L'ultimo  Saturno 5 prima del lancio
dell'Apollo XVII, 1972

Per quanto affascinante, l'esplorazione spaziale umana degli ultimi decenni  ha visto notevoli passi indietro rispetto alle conquiste dei tempi della corsa alla Luna. Il Saturno V (in grado di portare 100 tonnellate in orbita lunare e 149 in orbita intorrno alla Terra) fu abbandonato all'inizio degli anni '70 in favore dello Space  Shuttle: più costoso, con minore capacità di carico  (25 tonnellate intorno alla Terra) ed  errato nella sua concezione di voler lanciare cargo ed astronauti allo stesso tempo. Il Buran, controparte russa dello Shuttle, fu costruito sulla base di false informazioni del KGB, che aveva dichiarato che lo shuttle usa sarebbe servito per lanciare armi nucleari dallo spazio.  Il Buran fece un solo volo automatico nel 1989, lanciato dal razzo Energia, che sulla carta -  nella configurazione con 8 booster laterali - avrebbe potuto portare 100 tonnellate su Marte. Il vettore russo era perfetto ma troppo potente e costoso per trovare un'attività commericale e fu abbandonato in favore dei più piccoli e maneggevoli Proton ed Soyuz. 

Il vettore Energia prima del  lancio
dello shuttle russo Buran  dal
cosmodromo di Baikonur, 1988

Al momento solo la Cina e la Russia sono in grado di portare l'uomo nello spazio: europa e Giappone hanno dei solo razzi per il cargo (ATV ed HTV)  e gli Stati Uniti - dopo il ritiro dello Shuttle - stanno sviluppando una capsula Orione, con un vettore, lo Space Launch System,  che riutilizza tecnologie dello Shuttle per ridurre gli enormi costi. In parallelo la compagnia privata  Space X sta realizzando il sistema Dragon sotto contratto USA per portare il cargo sulla Stazione Spaziale. Un primo volo del  Dragon, lanciato dal razzo Falcon 9 (10 tonnellate in orbita), sempre sviluppato dalla Space X, ha avuto luogo nel dicembre 2010. Nei progetti della Space X il Dragon potrà essere adattato per portare un equipaggio in orbita e successivamente sulla Luna e su Marte.