Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. La pubblicazione ha contribuito all’articolo di Space.com Expert Voices: Op-Ed & Insights.Dan Kotlyar è un Professore Associato di Ingegneria Nucleare e Radiologica presso il Georgia Institute of Technology. La NASA prevede di inviare missioni con equipaggio su Marte nei prossimi dieci anni, ma il viaggio di 140 milioni di miglia (225 milioni di chilometri) verso il pianeta rosso potrebbe richiedere diversi mesi fino a anni andata e ritorno. Questo tempo di transito relativamente lungo è dovuto all’uso di carburante razziale chimico tradizionale. Una tecnologia alternativa rispetto ai razzi a propulsione chimica che l’agenzia sta sviluppando è chiamata propulsione nucleare termica, che utilizza la fissione nucleare e potrebbe un giorno alimentare un razzo capace di effettuare il viaggio in metà tempo. La fissione nucleare comporta la raccolta dell’incredibile quantità di energia rilasciata quando un atomo viene diviso da un neutrone. Questa reazione è conosciuta come reazione di fissione. La tecnologia di fissione è ben consolidata nella generazione di energia e nei sottomarini a propulsione nucleare, e la sua applicazione per alimentare un razzo potrebbe un giorno fornire alla NASA un’alternativa più veloce e potente rispetto ai razzi a propulsione chimica. La NASA e l’Agenzia per i Progetti di Ricerca Avanzata della Difesa stanno sviluppando congiuntamente la tecnologia NTP. Pianificano di dispiegare e dimostrare le capacità di un sistema prototipo nello spazio nel 2027, rendendolo potenzialmente uno dei primi del suo genere a essere costruito e gestito dagli Stati Uniti.
Notizie spaziali aggiornate, le ultime notizie su lanci di razzi, eventi di osservazione del cielo e altro! La propulsione nucleare termica potrebbe anche un giorno alimentare piattaforme spaziali manovrabili che proteggerebbero i satelliti americani all’interno e oltre l’orbita terrestre. Tuttavia, la tecnologia è ancora in fase di sviluppo. Sono un professore associato di ingegneria nucleare presso il Georgia Institute of Technology il cui gruppo di ricerca costruisce modelli e simulazioni per migliorare e ottimizzare i progetti dei sistemi di propulsione nucleare termica. La mia speranza e passione è assistere nella progettazione del motore di propulsione nucleare termica che porterà una missione con equipaggio su Marte.
Propulsione nucleare rispetto a quella chimica
I sistemi di propulsione chimica convenzionale utilizzano una reazione chimica che coinvolge un propellente leggero, come l’idrogeno, e un ossidante. Quando mischiati insieme, questi due si accendono, causando l’espulsione del propellente dalla bocca di scarico molto rapidamente per propellere il razzo. Gli scienziati e gli ingegneri stanno lavorando su sistemi di propulsione nucleare termica che utilizzerebbero propellente a idrogeno, pompandolo in un reattore nucleare per generare energia e espellere il propellente dalla bocca di scarico per sollevare il razzo.
Questi sistemi non richiedono alcun tipo di sistema di accensione, quindi sono affidabili. Tuttavia, questi razzi devono portare ossigeno con sé nello spazio, il che può appesantirli. A differenza dei sistemi di propulsione chimica, i sistemi di propulsione nucleare termica si basano su reazioni di fissione nucleare per riscaldare il propellente che viene quindi espulso dalla bocca di scarico per creare la forza motrice o spinta.
In molte reazioni di fissione, i ricercatori inviano un neutrone verso un isotopo più leggero dell’uranio, l’uranio-235. L’uranio assorbe il neutrone, creando uranio-236. L’uranio-236 poi si divide in due frammenti – i prodotti di fissione – e la reazione emette qualche particella assortita.
Cosa sono la fissione nucleare? | Radioattività | Fisica | FuseSchool – YouTube
Guarda su Più di 400 reattori nucleari in funzione in tutto il mondo attualmente utilizzano tecnologia di fissione nucleare. La maggior parte di questi reattori nucleari sono reattori a acqua leggera. Questi reattori di fissione utilizzano l’acqua per rallentare i neutroni e assorbire e trasferire calore. L’acqua può creare vapore direttamente nel nucleo o in un generatore di vapore, che aziona una turbina per produrre elettricità.I sistemi di propulsione nucleare termica funzionano in modo simile, ma utilizzano un diverso combustibile nucleare che ha più uranio-235. Operano anche a temperature molto più elevate, il che li rende estremamente potenti e compatti. I sistemi di propulsione nucleare termica hanno circa 10 volte più densità di potenza rispetto a un tradizionale reattore a acqua leggera. La propulsione nucleare potrebbe avere un vantaggio sulla propulsione chimica per vari motivi. La propulsione nucleare espellerebbe il propellente dalla bocca di scarico del motore molto rapidamente, generando alta spinta. Questa alta spinta consente al razzo di accelerare più rapidamente. Questi sistemi hanno anche un alto impulso specifico. L’impulso specifico misura quanto efficientemente viene utilizzato il propellente per generare spinta. I sistemi di propulsione nucleare termica hanno circa il doppio dell’impulso specifico dei razzi chimici, il che significa che potrebbero ridurre il tempo di viaggio di un fattore 2.
La storia della propulsione nucleare termica
Negli ultimi decenni, il governo degli Stati Uniti ha finanziato lo sviluppo della tecnologia di propulsione nucleare termica. Tra il 1955 e il 1973, i programmi di NASA, General Electric e Argonne National Laboratories hanno prodotto e testato a terra 20 motori di propulsione nucleare termica. Ma questi design pre-1973 si basavano su combustibile ad uranio altamente arricchito. Questo combustibile non è più utilizzato a causa dei rischi di proliferazione, o rischi legati alla diffusione di materiali e tecnologie nucleari. L’Iniziativa Globale di Riduzione delle Minacce, lanciata dal Dipartimento dell’Energia e Amministrazione Nazionale di Sicurezza Nucleare, mira a convertire molti reattori di ricerca che utilizzano combustibile ad uranio altamente arricchito a combustibile ad uranio a bassa arricchitura e alta purezza, o HALEU. Il combustibile ad uranio a bassa arricchitura e alta purezza contiene meno materiale in grado di subire una reazione di fissione, rispetto al combustibile ad uranio altamente arricchito. Quindi, i razzi devono avere più combustibile HALEU caricati, il che rende il motore più pesante. Per risolvere questo problema, i ricercatori stanno esaminando materiali speciali che utilizzerebbero il combustibile in modo più efficiente in questi reattori. Il programma della NASA e della DARPA Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations, o programma DRACO, intende utilizzare questo combustibile ad uranio a bassa arricchitura e alta purezza nel suo motore a propulsione nucleare termica. Il programma prevede di lanciare il razzo nel 2027.
Come parte del programma DRACO, la compagnia aerospaziale Lockheed Martin ha collaborato con BWX Technologies per sviluppare i progetti del reattore e del combustibile. Gli motori a propulsione nucleare termica in fase di sviluppo da parte di questi gruppi dovranno soddisfare specifici standard di prestazioni e sicurezza. Dovranno avere un nucleo in grado di operare per la durata della missione e eseguire le manovre necessarie per un viaggio veloce verso Marte.
In un mondo ideale, il motore dovrebbe essere in grado di produrre un alto impulso specifico, soddisfacendo anche i requisiti di alta spinta e bassa massa del motore.
Ricerca in corso
Prima che gli ingegneri possano progettare un motore che soddisfi tutti questi standard, devono iniziare con modelli e simulazioni. Questi modelli aiutano i ricercatori, come quelli del mio gruppo, a comprendere come il motore gestirebbe l’avvio e lo spegnimento. Queste sono operazioni che richiedono rapidi e massicci cambiamenti di temperatura e pressione. Il motore di propulsione nucleare termica differirà da tutti i sistemi di potenza a fissione esistenti, quindi gli ingegneri dovranno costruire strumenti software che funzionino con questo nuovo motore. Il mio gruppo progetta e analizza reattori a propulsione nucleare termica utilizzando modelli. Modelliamo questi complessi sistemi reattori per vedere come fattori come i cambiamenti di temperatura possono influire sul reattore e sulla sicurezza del razzo. Tuttavia, simulare questi effetti può richiedere una notevole potenza di calcolo. Stiamo lavorando per sviluppare nuovi strumenti computazionali che modellano come questi reattori agiscono mentre sono in fase di avvio e in funzione senza utilizzare troppa potenza di calcolo. I miei colleghi ed io speriamo che questa ricerca possa un giorno contribuire a sviluppare modelli che potrebbero controllare autonomamente il razzo.