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L’energia dell’atomo alla conquista dello spazio

Allo studio nuove tecnologie che ottimizzano l’utilizzo dell’energia nucleare nelle missioni spaziali.

di Nicholas Newman
25 maggio 2020
8 min di lettura
diNicholas Newman
25 maggio 2020
8 min di lettura

Arriveremo, nell’arco della nostra vita, a vedere il lancio di missioni umane sulla Luna o su Marte? Se dipendesse dagli ingegneri aerospaziali al lavoro sulle fonti di energia per i razzi e le basi spaziali del futuro, la risposta sarebbe affermativa. Una delle soluzioni allo studio è l’uso di mini reattori nucleari nello spazio non solo per fornire energia alle navicelle, ma anche per soddisfare il fabbisogno energetico delle future basi sulla Luna e su Marte.
L’uso dell’energia nucleare non è una novità nel campo dell’esplorazione dello spazio. Sia l’agenzia spaziale russa che quella americana hanno testato vari sistemi di propulsione nucleare nei propri veicoli spaziali. Basti pensare che, già oggi, sono in orbita 30 tipi di satelliti a energia nucleare.
Gli studi ebbero inizio nel 1976 e qualche anno dopo, nel 1988, la russa Roscosmos lanciò nello spazio una quarantina di satelliti a energia nucleare, per la maggior parte alimentati da reattori BES-5. I risultati furono però contrastanti, alcuni non arrivarono in orbita o, se giunti a destinazione, non entrarono in funzione.
Ancora prima, nel 1965, la NASA aveva lanciato in orbita lo SNAP-10A alimentato a uranio, che tuttavia era rimasto in funzione per soli 43 giorni prima di cessare le comunicazioni. Al momento si trova su una traiettoria lenta che dovrebbe impattare sulla superficie terrestre tra circa 3.000 anni.
Da oltre 50 anni, la NASA realizza batterie nucleari per missioni di esplorazione dello spazio profondo, come quelle di Pioneer, Voyager e New Horizons. Prossimamente, il rover Perseverance della missione Mars 2020 sarà alimentato con un generatore termoelettrico a radioisotopi multi-missione, essenzialmente una batteria che avrà il compito di tenerlo caldo e produttivo durante la sua ricerca di segni di abitabilità su Marte. Questa tecnologia si basa su sistemi a radioisotopi progettati per convertire il calore generato dal decadimento radioattivo naturale dell’isotopo plutonio-238 in energia elettrica. 

Propulsione con razzi termici nucleari

Diverse agenzie spaziali nazionali, come la NASA e Roscosmos, stanno attualmente valutando vari progetti di mini reattori nucleari. Elon Musk, CEO di Space X, ha pubblicato su Twitter la seguente raccomandazione: un razzo a propulsione termica nucleare, come quello a cui Musk fa riferimento, userebbe un piccolo reattore nucleare per generare calore dall’uranio combustibile. Quell’energia termica sarebbe quindi trasferita a un propellente liquido, ad esempio idrogeno liquido, il quale si espanderebbe in un gas e verrebbe espulso attraverso un propulsore a getto per produrre la spinta richiesta.
Gli attuali razzi a propellente chimico convenzionale impiegano tra 18 mesi e due anni per raggiungere Marte, in base alla posizione relativa dei pianeti al lancio. I razzi a energia nucleare potrebbero percorrere quella distanza in appena cento giorni, aprendo possibilità del tutto nuove per l’esplorazione umana dello spazio. Inoltre, un viaggio più veloce comporterebbe un minore consumo di risorse e ridurrebbe l'esposizione dell'equipaggio a dannose radiazioni cosmiche.
Si calcola che, per raggiungere Marte con la stessa rapidità, una nave spaziale di grandi dimensioni richiederebbe solo 230 grammi di uranio combustibile — una quantità comparabile a un sacchetto di zucchero.

Praticabilità delle basi spaziali nucleari

Si sta anche valutando l’utilizzo di mini centrali nucleari per trasformare i minerali reperibili in loco in materiali edili con cui costruire future basi sulla Luna e su Marte. L’energia nucleare potrebbe inoltre costituire una fonte di energia affidabile e duratura per gli occupanti delle basi, le comunicazioni, le attività operative e altre funzioni, inclusa la produzione di generi alimentari.
L’energia nucleare sembra essere la scelta di elezione in quanto le potenziali alternative, come il petrolio e l’energia solare, hanno mostrato considerevoli svantaggi. Il petrolio sarebbe troppo pesante e pericoloso da trasportare come combustibile per le basi su Marte, al punto che tutti gli esperti lo considerano un incubo logistico.
Per quanto riguarda il solare, molti studiosi ritengono che non sia pensabile impiegarlo su Marte, che notoriamente è soggetto a tempeste di polvere di grande intensità che oscurano il Sole per mesi interi. Inoltre, a causa delle distanze, la luce solare che raggiunge la superficie del pianeta è solo una minima parte di quella che arriva sulla Terra. Anche per la Luna l’energia solare è problematica, perché le notti lunari equivalgono a 14 giorni sulla Terra; l’energia nucleare, viceversa, opera indipendentemente dalle condizioni climatiche o dall’ora del giorno.

Il progetto Kilopower

Per quanto concerne più in particolare i progetti di mini centrali nucleari, la NASA sta lavorando con diverse agenzie di ricerca americane, tra cui il Los Alamos National Laboratory e il Nevada National Security Site, al progetto Kilopower.
Il reattore Kilopower genera energia attraverso una fissione nucleare attiva, in cui gli atomi si separano sprigionando energia. Questo piccolo e leggero reattore a fissione può generare fino a 10 kilowatt di energia elettrica —abbastanza per rifornire un insieme di edifici residenziali per almeno un decennio. L’alimentazione elettrica di una stazione su Marte richiederebbe circa 40 kW, o quattro reattori Kilopower.
Nel 2018 la NASA ha condotto una serie di test sperimentali per dimostrare la fattibilità della tecnologia Kilopower. Nelle prime due fasi, ogni componente del reattore è stato testato senza energia. Nella terza fase, la generazione di energia è stata attivata e incrementata gradualmente per riscaldare il nocciolo. Nella quarta e ultima fase, è stato eseguito un test a piena potenza della durata di un giorno per simulare una missione virtuale con avviamento del reattore, aumento della potenza fino alla massima capacità, funzionamento stabile e arresto.
Durante i test, il team della NASA ha simulato vari problemi operativi, tra cui un abbassamento della potenza, un’avaria dei motori e una rottura dei tubi di riscaldamento, per dimostrare che il sistema era in grado di operare nonostante il guasto di diversi componenti e funzioni operative.
“Kilopower ci offre la possibilità di eseguire missioni con quantità di energia nettamente superiori e di esplorare i crateri lunari in ombra," ha dichiarato Marc Gibson, capo ingegnere del progetto. “Quando inizieremo a inviare gli astronauti per soggiorni prolungati sulla Luna e altri pianeti, avremo bisogno di livelli di potenza di gran lunga superiori a quelli richiesti finora."

I nuovi orizzonti dell’esplorazione spaziale

Stando alle attuali previsioni, il primo reattore nucleare compatto dovrebbe essere pronto entro il 2024 per essere utilizzato sulla Luna nell’ambito del programma Artemis della NASA. Il progetto prevede l’invio di astronauti americani sulla Luna, ma la base non avrà necessariamente bisogno di un reattore nucleare.
Per quanto riguarda una futura missione su Marte, è probabile che i razzi a energia nucleare possano essere pronti entro il 2033, quando la Terra e Marte arriveranno al punto di massima vicinanza nei 18 anni precedenti. Una delle possibilità è quella di usare nella prima fase un razzo a propellente chimico per lanciare la missione dalla Terra, mentre nella fase successiva della spedizione si potrebbe usare un razzo a energia nucleare per velocizzare i trasferimenti.
Una cosa è certa: occorrerà lavorare ancora molto perché la tecnologia nucleare permetta di superare le difficoltà dei voli e delle spedizioni spaziali del futuro.

 

L'autore: Nicholas Newman

Giornalista, scrive regolarmente nei settori dell’agricoltura, aerospaziale, affari, energia, ingegneria, ferrovie, navigazione, tecnologia, trasporti per clienti in tutto il mondo.