Il progetto Orione, l'astronave a propulsione nucleare

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.

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

Di seguito il video-documentario della History Channel

video 1

Video 2

Video 3