La NASA sta sviluppando metodi per utilizzare l’energia nucleare per inviare sonde spaziali verso le loro destinazioni. La propulsione nucleare potrebbe ridurre notevolmente i tempi di viaggio verso Marte, forse accorciando un viaggio di oltre sei mesi a tre o quattro mesi.
L’idea della propulsione nucleare nello spazio risale alla Guerra Fredda. Ma la NASA l’ha perseguita con maggiore determinazione da quando Jared Isaacman ha assunto la guida dell’agenzia nel dicembre 2025. Isaacman è un noto sostenitore di questa tecnologia e afferma che essa può “sbloccare veramente la capacità dell’umanità di esplorare lo spazio”.
Nel marzo 2026, l’agenzia ha addirittura annunciato una missione senza equipaggio, a propulsione nucleare, verso il pianeta rosso, prevista per la fine del 2028.
Ogni veicolo spaziale inizia il suo viaggio combattendo la gravità terrestre bruciando combustibile chimico. I razzi mescolano il combustibile con un ossidante, li incendiano e spingono il gas in espansione attraverso un ugello. Secondo la terza legge di Isaac Newton , quando un gas spinge verso il basso, il razzo riceve una spinta uguale e contraria verso l’alto.
La propulsione chimica è potente, affidabile e, semplicemente, l’unico modo pratico per sfuggire all’attrazione gravitazionale terrestre. Tuttavia, presenta un grave limite: i razzi devono trasportare sia il combustibile che, nella maggior parte dei casi, l’ossidante necessario per la sua combustione.
Ciò significa che gran parte della massa di un razzo al momento del lancio è costituita da propellente, non dal carico utile. Più lungo e ambizioso è il viaggio, maggiore è la quantità di propellente necessaria e più pesante diventa il razzo.
Marte è talmente lontano che la lunga durata del viaggio, la minaccia delle radiazioni cosmiche per gli astronauti, la massa necessaria per trasportare i sistemi di supporto vitale e i vincoli del viaggio di ritorno rappresentano tutti seri problemi per la pianificazione di una missione.
Ecco perché gli ingegneri continuano a cercare alternative più sostenibili ai razzi chimici.
Due tecnologie
della NASA Il programma di propulsione nucleare spaziale distingue due approcci principali: la propulsione termica e la propulsione elettrica.
La propulsione termica nucleare segue un processo in tre fasi. Innanzitutto, il reattore nucleare all’interno del motore scinde gli atomi di uranio per generare enormi quantità di calore. In secondo luogo, l’idrogeno liquido viene pompato attraverso il nucleo del reattore, dove bolle istantaneamente ed espande trasformandosi in un gas ad alta pressione. In terzo luogo, questo gas surriscaldato viene espulso da un ugello ad alta velocità per spingere il veicolo spaziale in avanti.
Secondo il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, la propulsione termica nucleare può ridurre i tempi di viaggio verso Marte fino al 25% e, cosa ancora più importante, limitare l’esposizione dell’equipaggio alle radiazioni cosmiche. Amplierebbe inoltre le finestre di lancio in cui le sonde spaziali potrebbero realisticamente raggiungere Marte.
Queste missioni dipendono dall’allineamento della Terra e di Marte, che si verifica ogni paio d’anni. Una maggiore flessibilità nelle finestre di lancio consentirebbe agli astronauti di interrompere le missioni e tornare sulla Terra, se necessario.
La propulsione elettrica nucleare , d’altro canto, utilizza un reattore nucleare per generare elettricità. Questa alimenta un tipo di motore chiamato propulsore ionico che accelera atomi carichi (come lo xeno) espellendoli da un ugello. Se la propulsione termica nucleare rappresenta la soluzione rapida, la propulsione elettrica nucleare è l’opzione più impegnativa. La propulsione elettrica nucleare produce una spinta molto bassa, ma può funzionare ininterrottamente per anni.
Questa tecnologia a basso consumo di carburante è perfetta per inviare robot esploratori o carichi pesanti (come habitat e provviste alimentari) su Marte mesi prima dell’arrivo degli esseri umani. Nello spazio profondo, una piccola spinta applicata per un lungo periodo può fare un’enorme differenza.
Un razzo chimico è come un calcio potente. La propulsione nucleare elettrica è più simile a una mano insistente sulla spalla.
Potrebbe facilitare il trasporto di carichi pesanti nello spazio profondo, fornire un’abbondante energia a bordo e rimanere efficace anche lontano dal sole, dove l’energia disponibile per i pannelli solari è più debole.
Questa è l’idea principale alla base della missione Space Reactor-1 Freedom della NASA . SR-1 Freedom è una missione a propulsione elettrica nucleare, il cui lancio è attualmente previsto per dicembre 2028.
Sarebbe la prima sonda interplanetaria a propulsione nucleare. Viaggerà verso Marte per dimostrare che l’energia nucleare può fornire la potenza costante ed efficiente necessaria per i viaggi nello spazio profondo.
Una volta giunto su Marte, circa un anno dopo il lancio, si prevede che la sonda SR-1 Freedom rilascerà il carico utile Skyfall. Si tratta di un insieme di piccoli droni-elicottero che esploreranno la superficie marziana.
La NASA afferma che la missione permetterà di realizzare componenti nucleari utilizzabili in altri voli. Potrebbe inoltre creare un precedente normativo e attivare una base industriale per futuri sistemi basati sulla fissione nucleare.
Per l’esplorazione umana, la combinazione di propulsione nucleare elettrica e propulsione nucleare termica è molto interessante. Poiché la propulsione nucleare elettrica è incredibilmente efficiente in termini di consumo di carburante, può spostare enormi quantità di peso (habitat, scorte alimentari per anni, rover e apparecchiature di supporto vitale) utilizzando pochissimo propellente.
Potrebbe non essere un problema se il carico impiegasse più di nove mesi per arrivare su Marte. Ma la fragilità del nostro corpo umano fa sì che soggiorni più lunghi nello spazio aumentino il rischio di cancro dovuto alle radiazioni cosmiche e causino perdita di massa ossea e muscolare.
Il secondo problema deriva dal fatto che ossa e muscoli non vengono sollecitati in condizioni di microgravità. La propulsione termica nucleare fornisce l’elevata spinta necessaria per raggiungere Marte in tre o quattro mesi, riducendo drasticamente questi rischi per la salute.
Sentiero ripido
Nonostante gli evidenti vantaggi, la strada verso la piattaforma di lancio è irta di ostacoli e il lancio di SR-1 Freedom nel 2028 appare incredibilmente ambizioso . Un veicolo spaziale nucleare-elettrico necessita di un reattore, schermatura, gestione termica, conversione di energia, radiatori, propulsori elettrici, sistemi di controllo e tolleranza ai guasti. Ciascuno di questi componenti della missione richiede test e un’attenta integrazione affinché funzioni in sinergia.
Il calore del reattore deve essere controllato senza danneggiare altri componenti. I propulsori devono funzionare in modo affidabile per mesi. Altri fattori possono interagire in modi che emergono solo quando i sottosistemi del veicolo spaziale vengono assemblati. Se la missione SR-1 Freedom deve rispettare la finestra di lancio di dicembre 2028, la NASA ha pochissimo tempo per assemblare una missione che normalmente richiederebbe anni di progettazione, integrazione e revisione.
La propulsione nucleare ha trascorso più di 60 anni in bilico tra la realtà ingegneristica e il mito tecnologico, nonostante i principi fisici su cui si basa siano sempre stati validi.
La sfida più grande si è rivelata quella di rendere la tecnologia sicura, economicamente accessibile, ottenibile tramite licenza (ovvero in grado di soddisfare gli standard di sicurezza normativi) e pronta per essere impiegata in missioni reali. Finora, gli Stati Uniti hanno lanciato in orbita un solo reattore a fissione, lo SNAP-10A, nel 1965 .
La sonda SR-1 Freedom potrebbe aprire la strada a sistemi più avanzati in futuro. La propulsione nucleare-elettrica non renderà la missione su Marte facile, ma potrebbe iniziare ad abbattere le barriere che ostacolano i viaggi verso Marte, e questa è una prospettiva che dovrebbe entusiasmarci.
The Conversation Articolo
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