Nucleare e aerospaziale: le tre nuove strade

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Una centrale elettrica per alimentare la futura base lunare, un propulsore termico-nucleare per viaggiare a velocità record, un motore nucleare elettrico per inviare le nostre sonde fino ai confini del Sistema Solare… All’improvviso, l’energia nucleare sembra essere il suo futuro, tra tutti gli spazi missioni. il cosmico sembra tutto tracciato. Solo qualche tempo fa, però, mandare in orbita la tecnologia nucleare era inimmaginabile: la prospettiva di una catastrofe, come ad esempio uno schianto al decollo a causa dell’inquinamento radioattivo, smorzava gli entusiasmi. Quindi cosa è cambiato?

Da un lato la gestione del rischio: in questo ambito l’industria spaziale ha fatto notevoli progressi. Soprattutto, negli ultimi anni è ripresa la corsa allo spazio e l’energia nucleare promette un grande vantaggio a coloro che osano usarla.

“Percepiamo un reale rinnovato interesse per la fissione nucleare spaziale, conferma Marion Le Flem, del CEA. Soprattutto nel contesto della rivalità Cina-Stati Uniti. “

Mentre Cina e Russia stanno coltivando il progetto di una base lunare abitata per il 2035, la NASA sta lanciando il programma Artemis per rimandare gli astronauti sulla terra del nostro satellite entro il 2026, se tutto andrà bene. A lungo termine, gli occhi si rivolgeranno anche a Marte. La fissione nucleare potrebbe svolgere un ruolo chiave in tutte queste ambizioni. “In termini di propulsione, è probabile che divida il tempo di viaggio su Marte per due o tre rispetto all’attuale propulsione chimica, e quindi riduca l’esposizione dell’equipaggio alle radiazioni cosmiche dannose”.afferma Christophe Fongarland, esperto di motori nucleari presso l’ESA.

Vincoli molto specifici

Lato base lunare, l’utilizzo dei pannelli solari per generare elettricità presenta seri limiti: la notte lunare può durare 14 giorni e la polvere onnipresente sulla superficie del nostro satellite può ridurne drasticamente l’efficienza. “Un reattore nucleare può funzionare da 10 a 20 anni senza essere rifornito di carburante, con grande indipendenza rifornimenti dalla Terra” souligne Anthony Calomino, della NASA.

L’idea è quindi estremamente attraente… sulla carta. Perché restano ancora molte sfide da affrontare prima di sperare di spingere la tecnologia nucleare fuori dall’atmosfera! “Ci sono vincoli molto specifici nello spazioconcorda Marion Le Flem. Un reattore deve, ad esempio, essere molto più compatto e leggero per poter essere inserito in un razzo o in un satellite, più affidabile per non richiedere alcuna manutenzione umana sul posto e più resistente alle vibrazioni durante il trasporto. Questo cambia completamente le scelte tecniche. “

Si pone anche la questione dei test in condizioni reali. La ricerca nucleare spaziale aveva già incontrato questo ostacolo negli anni ’70: il motore nucleare-termico dimostratore del programma Nerva della NASA era stato testato nel deserto del Nevada, negli Stati Uniti. “Questo prototipo ha rilasciato idrogeno radioattivo all’aria aperta, cosa che oggi non è più possibile a causa delle norme di sicurezza radiologico” sottolinea Christophe Fongarland. La NASA intende superare questa trappola effettuando test direttamente nello spazio.

“Un reattore nucleare può produrre elettricità per 10-20 anni senza essere rifornito di carburante” – ANTONIO CALOMINO, Responsabile degli sviluppi nucleari della NASA

Infine, al centro delle preoccupazioni c’è il rischio di un’esplosione nell’atmosfera durante il lancio. Lo schianto, nel 1978, del satellite nucleare sovietico Cosmos-954 sul suolo canadese tormenta ancora gli animi: i detriti radioattivi furono poi sparsi su circa 100.000 km²… Anche in questo caso la NASA sembra aver trovato una soluzione: per evitare qualsiasi contaminazione, “la reazione di fissione verrà innescata solo una volta che il reattore sarà posizionato in un’orbita sufficientemente alta” rassicura Antonio Calomino. Anche i lanci di razzi continuano a migliorare in termini di affidabilità: mentre nel 2023 il tasso di fallimento a livello mondiale era ancora del 5%, la società SpaceX ha finora registrato 374 lanci riusciti su 377 per il suo razzo riutilizzabile Falcon 9, ovvero un rischio di “solo” 0,8 %. Ciò sembra sufficiente?

BRUNO BOURGEOIS – NASA

LABORATORIO NAZIONALE DI LOS ALAMOS – DEPT OF ENERGY/NASA – NASA

Immaginiamo di installare, entro il 2040, un vero reattore nucleare sul nostro satellite, fornendo energia sufficiente per alimentare una base ed estrarre determinate risorse, come l’acqua. È questo l’ambizioso programma Fission Surface Power (FSP), lanciato nel gennaio 2024 dalla NASA. Con le sue 6 tonnellate e le sue dimensioni equivalenti a quelle di una semplice automobile, la mini centrale dovrebbe produrre almeno 40 kW di elettricità – l’equivalente del consumo di 33 case americane per circa dieci anni – e ispirarsi al progetto Kilopower, ancora oggi supervisionato dall’agenzia spaziale.

Nel 2018, il Los Alamos National Laboratory (LANL) ha testato un prototipo sperimentale da 1 kW chiamato Krusty. Progettato pensando alla robustezza e alla semplicità, era costituito da un nocciolo del reattore, dove avviene la fissione nucleare, e circuiti indipendenti di sodio liquido responsabili della trasmissione del calore prodotto a diversi motori per convertirlo in elettricità. E se uno dei motori si guastasse, gli altri potrebbero comunque garantire il normale funzionamento del reattore! Infine, le alette dispiegate verso l’esterno hanno permesso di dissipare il calore residuo e quindi di evitare il surriscaldamento del nucleo. “Krusty funzionava con uranio di grado militare, arricchito al 90%. Tuttavia, nel 2020, il governo americano ha voluto favorire l’uranio arricchito a meno del 20% per limitare i rischi radiologici e avvicinarsi agli standard dell’industria nucleare civile. rivela Anthony Calomino, capo degli sviluppi nucleari della NASA.

Questo cambiamento avrà conseguenze sul condizionamento del combustibile, ma anche sulla progettazione del reattore previsto per la Luna: sarà necessario in particolare aggiungere pareti riflettenti per concentrare i neutroni e accelerare la reazione.

Con Draco si tratta di una vecchia idea che la NASA sta aggiornando: la cosiddetta propulsione nucleare “termica”. Il principio? Utilizzando il calore generato dal nocciolo di un reattore per riscaldare un gas – in questo caso l’idrogeno – a temperature molto elevate. Ciò che segue è quindi simile all’attuale propulsione chimica: il gas riscaldato si espande in un ugello e viene espulso ad alta velocità, fornendo la forza di spinta.

“Tranne che un reattore nucleare ha il potenziale per riscaldare il gas più velocemente, e questo può triplicare l’efficienza di propulsione” precisa Marion Le Flem, responsabile del laboratorio del CEA Paris-Saclay.

Con questo sistema l’idrogeno liquido passa da -250°C a 2.400°C in meno di 1 secondo!

Uno svantaggio, però: la tecnologia prevede condizioni radioattive e temperature estreme – dieci volte superiori a quelle generate da un reattore nucleare terrestre – e quindi richiede materiali molto robusti.

“Si tratta di una sfida importante, ma siamo sulla buona strada con le leghe a base di carburo di zirconio e grafite” dice Antonio Calomino.

Se tutto andrà bene, un primo prototipo potrebbe essere testato già nel 2027 nello spazio, in assenza di peso, cosa mai fatta prima. “Ciò comporterà la convalida della nostra modellizzazione sui movimenti dei fluidi, in particolare dell’idrogeno, che si comporta diversamente nella microgravità” specifica il capo della NASA.

Infine, a lungo termine, l’agenzia spaziale americana dovrà raccogliere un’ultima sfida: quella di immagazzinare e mantenere in modo sostenibile tonnellate di idrogeno in forma liquida – la forma gassosa tende a fuoriuscire molto rapidamente – e quindi a temperature prossime a quelle assolute. zero (-273,15°C). E solo allora pianeti come Marte saranno a soli due o tre mesi di distanza.

1. L’idrogeno liquido immagazzinato a temperature vicine allo zero assoluto (-273,15°C) viene inviato dal serbatoio a un reattore a fissione nucleare in miniatura.

2. In prossimità del nucleo si riscalda improvvisamente fino a 2.400°C, passando dallo stato liquido allo stato gassoso ad altissima pressione.

3. Il gas viene espulso violentemente attraverso l’ugello a una velocità di circa 15 km/s – 3 volte quella degli attuali propellenti chimici.

In questa corsa al nucleare spaziale, l’Europa non è lasciata indietro. Concetti di propulsione innovativi sono studiati dal CEA, su richiesta dell’ESA, dal giugno 2023. Uno di questi riguarda un sistema elettronucleare: il progetto RocketRoll. In questo processo il calore prodotto dal reattore viene convertito in elettricità, proprio come nel caso di un reattore nucleare convenzionale.

L’elettricità viene quindi utilizzata per polarizzare gli ioni di gas nobili – kripton o xeno –, che vengono poi accelerati e spinti attraverso un campo magnetico per produrre spinta. Certamente quest’ultima è molto inferiore all’accelerazione generata da un motore termico-nucleare… Ma ha il vantaggio di essere molto efficiente nei consumi e quindi di funzionare ininterrottamente su distanze molto lunghe. Abbastanza per espandere i nostri orizzonti cosmici!

“L’elettrico nucleare sarà una fonte molto efficiente per alimentare veicoli leggeri dotati di propulsione ionica”dice Marion Le Flem.

Questi nuovi motori non dipenderanno più dall’esposizione alla luce solare, a differenza di molte macchine la cui elettricità viene prodotta utilizzando pannelli solari. Un vantaggio notevole, soprattutto per i viaggi oltre Marte, dove la quantità di luce percepita diventa insignificante.

Sebbene il progetto RocketRoll sia ancora agli inizi, l’ESA e il CEA sperano un giorno di avviare lo sviluppo di un primo prototipo. Potrebbe vedere la luce entro il 2035.

1. Come in una centrale elettrica convenzionale, un mini reattore nucleare a fissione produce calore per generare elettricità.

2. Gli elettroni ad alta energia formati vengono inviati agli atomi di xeno o kripton per ionizzarli.

3. Attratti verso l’ugello da griglie caricate elettricamente, gli ioni vengono accelerati e poi espulsi, generando una forza di spinta continua.

1961

LABORATORIO NAZIONALE DI LOS ALAMOS – DEPT OF ENERGY/NASA – NASA

1965

LABORATORIO NAZIONALE DI LOS ALAMOS – DEPT OF ENERGY/NASA – NASA

1969

LABORATORIO NAZIONALE DI LOS ALAMOS – DEPT OF ENERGY/NASA – NASA

1978

LABORATORIO NAZIONALE DI LOS ALAMOS – DEPT OF ENERGY/NASA – NASA

Un nuovo propulsore a idrogeno alimentato da un reattore a fissione nucleare, Draco, sarà testato in orbita, a 2.000 km dalla Terra, dalla NASA e dall’agenzia americana di ricerca sulla difesa. E l’energia atomica tornerà nello spazio.

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