Il progetto Orione, l'astronave a propulsione nucleare

Mercoledì 14 Dicembre 2011 16:42 Scritto da Staff Videomisteri

Gli elementi pesanti come l'uranio, usati per produrre l'energia nucleare, sono delle sorgenti di energia molto concentrate. Qualche chilo di combustibile nucleare può produrre tanta energia quanta ne producono migliaia di tonnellate di carbone o di petrolio, o di esplosivo nel caso di bombe atomiche. Imbrigliare l'energia nucleare per i voli spaziali sembra quindi una direzione naturale da esplorare.

Ma le astronavi a energia nucleare non sono facili da realizzare. I razzi spaziali non richiedono soltanto energia ma anche massa, materia espulsa all'indietro, e il combustibile nucleare ne fornisce molto poca. Per i razzi, il fattore limitante non è costituito dalla scarsa energia, ma dall'alta temperatura a cui essi devono funzionare. In genere un ugello di un razzo è già al color rosso: fornendo ancora più energia al propellente, la temperatura salirebbe ulteriormente, forse oltre il limite sopportabile dalla struttura metallica.
La scelta del propellente per i razzi

Rimane una possibile scappatoia. È possibile aumentare la velocità v delle molecole dei gas di scarico senza aumentarne la temperatura, e quindi anche aumentare la velocità del getto espulso, se queste molecole vengono sostituite da molecole più leggere.

Un gas caldo è un insieme di atomi o di molecole indipendenti, costantemente in collisione tra loro e con le pareti del contenitore. Più alta è la temperatura T e più velocemente si muoveranno. Ma se si confrontano diversi tipi di molecole a una certa temperatura, si trova (come è stato fatto osservare nella precedente sezione sul cannone SHARP) che la loro velocità v è diversa: infatti è l'energia cinetica (1/2) mv2 che è proporzionale a T.

Supponiamo di esaminare due gas alla stessa temperatura T, uno con molecole leggere di massa m e velocità v, l'altro con molecole più pesanti di massa M che si muovono con velocità V. Allora, per quanto detto prima

(1/2) mv2 = (1/2) MV2

Se (per esempio) M = 9m, si trova che v = 3V. A una data temperatura, le molecole più leggere si muovono 3 volte più velocemente!

I più efficienti razzi chimici, per esempio quelli della Navetta Spaziale, bruciano idrogeno e ossigeno per formare acqua (o più esattamente vapore acqueo ad altissima temperatura). La formula chimica dell'acqua è H2O, e poiché l'atomo di ossigeno (O) è 16 volte più pesante di quello di idrogeno (H), la molecola dell'acqua ha un peso 18 volte quello dell'atomo di idrogeno, e 9 volte quello della molecola H2, che è la forma in cui l'idrogeno normalmente esiste.

Magari il getto esplulso fosse costituito da idrogeno H2 invece che da vapore acqueo H2O! In tal caso, alla stessa temperatura (come si è detto prima) le sue molecole si muoverebbero 3 volte più velocemente, e anche i gas espulsi sarebbero più veloci. Purtroppo, non esistono pratiche reazioni chimiche che producano H2.

Con un'energia nucleare illimitata, tuttavia, non è necessario bruciare nulla: l'idrogeno gassoso potrebbe invece essere riscaldato all'interno di un reattore nucleare e quindi espulso all'indietro da un ugello di grandi dimensioni. Questa era l'idea del progetto NERVA, un tentativo della NASA degli anni '60 di costruire un razzo a energia nucleare.

È difficile immaginare di far funzionare un reattore nucleare alle stesse alte temperature del motore di un razzo. Ma, con un fattore 3 a proprio favore, anche temperature più basse darebbero ancora un grande vantaggio. Alcuni modelli sperimentali di razzi nucleari hanno funzionato abbastanza bene quando furono collaudati a terra, ma, alla fine, il rischio di una contaminazione ambientale e quello della fusione completa del reattore stesso erano troppo alti e il progetto fu accantonato.

Il progetto "Orion"

Un modo completamente diverso di affrontare il problema del volo spaziale è stato quello di Theodore Taylor, un fisico nucleare. Taylor ebbe una carriera di successo come progettista di bombe atomiche sempre più potenti, finché dubbi di coscienza lo spinsero a indirizzare altrove il proprio talento.

Taylor progettò niente di meno che un veicolo spaziale spinto da bombe atomiche. La parte posteriore del razzo avrebbe avuto una massiccia lastra metallica con un'apertura al centro. Ad opportuni intervalli di tempo, una bomba atomica sarebbe stata espulsa dall'apertura e, dopo aver raggiunto una specifica distanza dal razzo, sarebbe stata fatta esplodere. La bomba sarebbe stata racchiusa in un involucro di plastica ricco di idrogeno, che l'enorme calore prodotto dall'esplosione della bomba avrebbe trasformato istantaneamente in gas estremamente caldo, per lo più idrogeno. Quel gas sarebbe esploso nello spazio, ma una parte avrebbe colpito la lastra del razzo, e la pressione avrebbe spinto in avanti il veicolo spaziale.

Questa idea era stata lanciata la prima volta da Ulam e Everett nel 1955, prima che fosse stato realizzato in pratica alcun veicolo spaziale (Stanislaw Ulam fu anche la mente dietro al primo progetto pratico della bomba H; ved. "Dark Sun", Il Sole scuro, di Richard Rhodes). Nel 1958 Taylor ottenne l'appoggio dall'Aeronautica americana, e il suo progetto, chiamato "Orion" iniziò. Questo progetto attrasse un gruppo di sognatori pratici, tra cui Freeman Dyson, un brillante fisico teorico dell'Istituto di Studi Avanzati di Princeton.

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

Nei sette anni che seguirono, al costo di circa 10 milioni di dollari, furono sviluppati progetti per un veicolo spaziale spinto da bombe atomiche. Furono anche costruiti dei piccoli modelli di un tale veicolo e, in un esperimento pratico coronato da successo, un modello fu lanciato verso l'alto mediante una serie di cariche esplosive convenzionali, espulse dalla sua coda. Benché i dettagli dei progetti rimangano tuttora classificati (sono connessi alla tecnologia delle bombe), i progettisti affermarono che nessun problema tecnico presentava ostacoli, neppure l'usura della "lastra di spinta" esposta alle esplosioni, né il richio di radiazioni per i passeggeri dell'astronave, né altri dettagli.

I ricercatori del progetto "Orion" chiedevano la realizzazione di enormi astronavi, del peso di migliaia di tonnellate. Un progetto prevedeva un viaggio verso le stelle lontane usando un'astronave "con un progetto cautelativo" di 40 milioni di tonnellate, spinta da 10 milioni di bombe! Ma alla fine il progetto fu abbandonato, poiché l'idea di fare esplodere un numero così alto di bombe atomiche nell'atmosfera o nelle sue vicinanze sembrava piuttosto terrificante. Il mondo infine si rese conto di quanto i rifiuti radioattivi contaminassero l'atmosfera, e quasi tutte le Nazioni firmarono nel 1963 un trattato che metteva al bando gli esperimenti nucleari, e questo mise la parola fine al progetto "Orion".
Gli asteroidi

E tuttavia... il metodo di propulsione del progetto "Orion" potrebbe un giorno essere l'unica via pratica per proteggere la Terra da un impatto con un asteroide.

La maggior parte degli asteroidi orbitano tra Marte e Giove, lontano dalla Terra, ma alcuni hanno delle orbite che intersecano quella della Terra. Studi di geologia suggeriscono che asteroidi di grandi dimensioni hanno colpito la Terra nel passato circa ogni 30 milioni di anni, con risultati catastrofici. Una struttura di impatto (parzialmente sott'acqua) vicino all'estremità della penisola dello Yucatan in Messico sembra che sia dovuta all'impatto di un asteroide di 10 km di diametro, avvenuto circa 65 milioni di anni fa, e molti scienziati ritengono che fu quell'evento a causare l'estinzione dei dinosauri e di altre forme di vita.

Anche un asteroide con un solo chilometro di diametro può causare enormi danni. Attualmente la NASA sta effettuando una ricerca di tutti gli asteroidi vicini alla Terra con un diametro maggiore o uguale a 1 km. Esistono molti altri oggetti più piccoli vicini all'orbita terrestre (uno di questi è caduto in Siberia nel 1908), ma sono quelli più grandi a preoccupare la NASA.

Supponiamo di scoprire che un asteroide abbia un'orbita che lo porti a colpire la Terra: che cosa si potrebbe fare? Se lo si facesse esplodere, lo si trasformerebbe in una grande quantità di frammenti sempre diretti contro la Terra. Invece, il metodo di propulsione del progetto "Orion" potrebbe deviare la sua traiettoria, così da evitare che colpisca la Terra.

Si dovrebbe inviare una sonda con una potentissima bomba H (a fusione nucleare), farla accostare all'asteroide (non troppo vicino) dalla parte dove vorremmo applicare la spinta. Quando la bomba esplodesse, essa vaporizzerebbe la strato superficiale dell'asteroide, vicino al punto dell'esplosione, trasformandolo in gas caldissimo, che quindi si espanderebbe nello spazio. Per le leggi di Newton, il centro di gravità di tutto il materiale dell'asteroide non si sposterebbe, per cui, mentre il gas si espande da un lato, l'asteroide verrebbe spinto dal lato opposto.

Non è facile spingere un masso di miliardi di tonnellate, per cui bisognerebbe pensare a una manovra da effettuare a grandissima distanza dalla Terra, dove (si spera) un piccolo colpetto basterebbe per spostare l'asteroide su una traiettoria non più in collisione con la Terra. Attualmente questa è soltanto un'idea per un futuro molto lontano (anche se è già apparsa in alcuni film e romanzi di fantascienza). Per fortuna, questo argomento non sembra così urgente, poiché il rischio di un grave impatto, durante la nostra generazione, è piuttosto piccolo.