Secondo il loro studio, i laser potrebbero essere utilizzati per riscaldare il combustibile a idrogeno, riducendo drasticamente i tempi del viaggio.

Ad oggi le missioni su Marte possono essere lanciate ogni 26 mesi quando i nostri due pianeti si trovano nei punti più vicini dell'orbita l'uno rispetto all'altro e, con la tecnologia attuale, ci vogliono dai 6 ai 9 mesi per raggiungere il Pianeta Rosso. Anche con un'eventuale propulsione nucleare termica (NTP) o nucleare elettrica (NEP)
Per il prossimo futuro, la SpaceX, la NASA e la Cina hanno grandi piani di esplorazione spaziale che includono anche l'invio di astronauti su Marte: rendere i viaggi più sostenibili sarebbe davvero una svolta. Prima di tutto ridurrebbe il rischio prolungato di esposizione alle radiazioni e alla microgravità degli equipaggi.

Il nuovo studio, guidato da Emmanuel Duplay della McGill University, è stato recentemente presentato alla rivista Astronomy & Astronomy

I laser al posto di un reattore

Negli ultimi anni, la propulsione a energia diretta (DE) è stata oggetto di notevole ricerca e interesse: sono stati intrapresi molti programmi che mirano ad adattare applicazioni DE su larga scala per missioni interstellari. A questi, si sono affiancate altre iniziative come Breakthrough Starshot, un progetto in cui un array laser di diversi gigaWatt di potenza viene utilizzata per accelerare una vela laser e una piccola navicella spaziale a una frazione della velocità della luce (ovvero velocità relativistiche) per raggiungere i sistemi stellari vicini in decenni, anziché secoli o millenni.

Duplay e colleghi hanno esplorato l'applicazione di concetti simili per viaggi interplanetari.
Alla base del nuovo studio c'è l'idea di utilizzare dei laser per fornire energia agli array fotovoltaici di un veicolo spaziale. L'energia viene, quindi, convertita in elettricità per alimentare un propulsore a effetto Hall (cioè, motore a ioni). Questo concetto è simile a un sistema di propulsione nucleare elettrica (NEP), in cui un array laser prende il posto di un reattore nucleare.

Il nostro approccio è complementare a questi concetti, in quanto utilizza la stessa idea di laser phased-array ma per riscaldare direttamente il propellente, come fa un gigantesco bollitore. Ciò consente al veicolo spaziale di accelerare rapidamente mentre è ancora vicino alla Terra", ha detto Duplay, "come un dragster".
Crediamo di poter persino utilizzare lo stesso motore a razzo alimentato a laser per riportare il booster in orbita terrestre, dopo aver lanciato il veicolo principale verso Marte, consentendone il rapido riciclo per il lancio successivo", ha aggiunto.


Il concetto

Il concetto di propulsione laser-termica dei ricercatori della McGill si basa su una serie di laser a infrarossi ubicati sulla Terra, da 10 metri di diametro, che combinano più raggi, ciascuno con una lunghezza d'onda di circa un micron, per un totale di 100 megaWatt di potenza.
La navicella, posta in un'orbita ellittica attorno alla Terra, avrebbe un riflettore che dirige il laser in una camera di riscaldamento contenente un plasma di idrogeno. Quindi, riscaldando il nucleo fino a circa 40.000 gradi Celsius, l'idrogeno inizierebbe a scorrevi intorno raggiungendo circa 10.000 gradi Celsius e, incanalato e espulso da un ugello, creerebbe la spinta per spedire il veicolo spaziale lontano dalla Terra. Contemporaneamente, i propulsori laterali manterrebbero la navicella allineata con il raggio laser per seguire la rotazione terrestre per il tempo necessario.

Una volta interrotto il raggio, il veicolo verrebbe allontanato ad una velocità di circa 17 chilometri al secondo rispetto alla Terra. Abbastanza da raggiungere la Luna in sole otto ore.

La navicella raggiungerebbe l'atmosfera marziana, dopo poco più di un mese, viaggiando ancora a circa 16 chilometri al secondo. E qui viene la parte ancora più difficile perché il veicolo dovrebbe rallentare ma riempire lo spazio utile di carico con carburante chimico per la frenata sarebbe poco conveniente. Quindi, la navicella userebbe l'attrito atmosferico per ridurre la velocità. Con una tecnica chiamata aerobraking aerocapture (aerofrenata o aerocattura), il veicolo sarebbe sottoposto a decelerazioni fino a 8 g (al limite della capacità di sopportazione del corpo umano!) e dovrebbe essere costruito con materiali altamente resistenti al calore.

 

Ancora qualche ostacolo

Senza dubbio, la missione così strutturata presenta alcune difficoltà poiché molte delle tecnologie coinvolte sono all'avanguardia e non sono state ancora testate, ha sottolineato Duplay.

La camera di riscaldamento laser è probabilmente la sfida più significativa: possiamo contenere idrogeno, il nostro propellente, poiché viene riscaldato dal raggio laser a temperature superiori a 725 gradi Celsius  mantenendo allo stesso tempo fresche le pareti della camera? I nostri modelli affermano che ciò è fattibile ma al momento non sono possibili test sperimentali su vasta scala perché non abbiamo ancora costruito i laser da 100 megaWatt necessari”.