Questo dispositivo combina aspetti di diversi metodi di propulsione per creare un sistema che offre un'elevata densità di energia e un'efficienza del propellente significativamente maggiore rispetto ai sistemi convenzionali.

Florian Neukart è professore assistente presso il Leiden Institute of Advanced Computer Science (LIACS) dell'Università di Leiden e membro del consiglio di amministrazione per lo sviluppo di tecnologia quantistica al Terra Quantum AG. La prestampa del suo articolo è recentemente apparsa online ed è in fase di revisione per la pubblicazione su Elsevier.

Secondo Neukart, le tecnologie in grado di superare la propulsione chimica convenzionale (CCP, conventional chemical propulsion) saranno fondamentali nell’attuale era di esplorazione spaziale. In particolare, i nuovi approcci dovranno offrire maggiore efficienza energetica, spinta e capacità per missioni di lunga durata. La MFPD potrebbe trovare applicazione per le missioni con equipaggio su Marte, che al momento richiede fino a 9 mesi per un viaggio di sola andata, ma sarà utile anche per raggiungere altri posti remoti del Sistema Solare e oltre.

"La sfida dell’esplorazione dello spazio profondo e del trasporto di carichi utili significativi attraverso distanze interplanetarie e interstellari richiede lo sviluppo di sistemi di propulsione efficienti e potenti. Mentre l’umanità pensa alla creazione di colonie su pianeti lontani e all’estrazione mineraria su corpi celesti, i meccanismi di propulsione dei nostri veicoli spaziali diventano sempre più critici".

 

La proposta MFPD

La NASA, altre agenzie spaziali e compagnie private sono consapevoli che, nonostante stiamo vivendo un periodo di rinnovato interesse per lo spazio, l'esplorazione sarà finita ancor prima di iniziare se l'uomo non troverà un modo efficiente per viaggiare nel nostro Sistema Solare e tra le stelle.

Sono in corso molti studi su sistemi di propulsione alternativi che includono concetti a basso consumo di propellente come la propulsione elettrica o ionica, che utilizza campi elettromagnetici per ionizzare un propellente inerte (come il gas xeno) e accelerarlo attraverso gli ugelli per generare spinta. Le vele solari sono un'altra opzione, che può generare un'accelerazione continua senza richiedere propellente (risparmiando così sulla massa). Tuttavia, le missioni dotate di questa tecnologia sono limitate in termini di spinta e devono operare più vicino al Sole.

La NASA e la DARPA sono al lavoro sulla la propulsione termica nucleare (NTP), per DRACO, un razzo dimostrativo per operazioni cislunari. Questo progetto si basa su un reattore nucleare per riscaldare il propellente (come l'idrogeno liquido), facendolo espandere attraverso gli ugelli per generare spinta. I vantaggi dell’NTP includono una densità energetica molto elevata e un’accelerazione significativa ma l'applicazione comporta anche numerose sfide tecniche e di sicurezza che coinvolgono la movimentazione e il lancio di materiali nucleari.

Esistono anche concetti di propulsione che sfruttano le reazioni di fusione, come le reazioni Deuterio-Trizio (D-T) e Deuterio-Idrogeno tre (D-He3), qualcosa su cui gli scienziati teorici lavorano da decenni. Questi metodi offrono il potenziale per una spinta elevata e un impulso specifico estremamente elevato ma presentano anche molte sfide, soprattutto quelle legate alla gestione del propellente e al raggiungimento di reazioni di fusione sostenute e controllate. Esistono anche concetti più esotici, come la propulsione ad antimateria e l'Alcubierre Warp Drive ma nessuno di questi sarà disponibile nel prossimo futuro.

Ora, si aggiunge alla lista la proposta di Neukart, che cerca di sfruttare l'immenso potenziale energetico della fusione nucleare combinato con plasma confinato magneticamente per produrre spinta.
A differenza della fissione nucleare che comporta la scissione dei nuclei atomici, la fusione nucleare combina nuclei atomici leggeri, tipicamente isotopi dell'idrogeno, per formare nuclei più pesanti. Durante il processo viene rilasciata un’enorme quantità di energia, superiore a quella di qualsiasi reazione chimica.

“L’MFPD è un sistema di propulsione per l’esplorazione spaziale, che utilizza reazioni di fusione nucleare controllata come fonte di energia primaria sia per la spinta che per la potenziale generazione di energia elettrica. Il sistema si basa sullo sfruttamento dell’immensa energia prodotta dalle reazioni di fusione, che in genere coinvolgono isotopi di idrogeno o elio, per produrre uno scarico di particelle ad alta velocità, generando così una spinta secondo la terza legge di Newton", ha spiegato Neukart. “Il plasma derivante dalle reazioni di fusione viene confinato e manipolato utilizzando campi magnetici, garantendo un rilascio e una direzionalità controllati dell’energia. Allo stesso tempo, il concetto MFPD prevede la possibilità di convertire parte dell’energia di fusione in energia elettrica per sostenere i sistemi di bordo ed eventualmente il sistema di controllo della reazione del veicolo spaziale”.

I vantaggi MFPD

Lo studio di Nuekart parte dalle reazioni di fusione deuterio-trizio (D-T) poiché è una delle reazioni più studiate e comprese e offre una base chiara e familiare per elaborare i principi fondamentali e i meccanismi dell'MFPD. Inoltre, ha aggiunto Neukart, le reazioni D-T hanno temperature di accensione relativamente basse, il che le rende un buon “punto di partenza”. Tuttavia, l’obiettivo finale dell’MFPD è sfruttare la fusione aneutronica (p-B11, idrogeno e boro-11), in cui solo una minima parte dell’energia rilasciata dalle reazioni viene trasportata dai neutroni. Le reazioni aneutroniche, al contrario, rilasciano energia sotto forma di particelle cariche (tipicamente protoni o particelle alfa), riducendo così in modo significativo il livello di radiazione neutronica prodotta. I vantaggi di questo sistema sono immediatamente evidenti: combina un elevato impulso specifico e un'immensa densità di energia e fornisce sia spinta che potenza da un'unica fonte di energia. Altri vantaggi includono:

  • L'MFPD può fornire un impulso specifico elevato, fornendo un sostanziale cambiamento di velocità (delta-v) al veicolo spaziale e facilitando le missioni verso corpi celesti distanti.
  • Il combustibile da fusione, come gli isotopi dell’idrogeno, è incredibilmente denso di energia, consentendo potenzialmente missioni estese senza bisogno di grandi quantità di propellente.
  • Il veicolo spaziale potrebbe essere progettato dedicando meno frazioni di massa allo stoccaggio del carburante e più spazio per gli strumenti scientifici o tecnologie aggiuntive.
  • L'MFPD non è solo un sistema di propulsione ma può fornire energia elettrica ai sistemi e agli strumenti del veicolo spaziale, il che è fondamentale per le missioni di lunga durata.
  • Possibilità di regolare la spinta e l'impulso specifico, offrendo versatilità per le diverse fasi della missione, come accelerazione, crociera e decelerazione.
  • Il potenziale per una maggiore spinta continua può ridurre significativamente i tempi di transito verso destinazioni lontane, mitigando i rischi legati all’esposizione alle radiazioni cosmiche e alla gestione delle risorse di bordo.
  • Sebbene impegnative, le strutture magnetiche e fisiche intrinseche potrebbero essere progettate per fornire un certo livello di schermatura dalle radiazioni per il veicolo spaziale e l'equipaggio, utilizzando il plasma e i campi magnetici.
  • A differenza delle vele solari o della propulsione elettrica solare, l'MFPD non dipende dalla vicinanza al Sole; quindi, è praticabile per missioni nel sistema solare esterno e oltre.
  • Rispetto ai concetti nucleare-termico o fissione-elettrica, l’MFPD potrebbe essere progettato per ridurre al minimo il rischio di contaminazione radioattiva, dato che la fusione, in generale, richiede meno materiale radioattivo e potenzialmente consente uno spegnimento più sicuro del reattore.

 Oltre a ciò, Nuekart prevede che lo sviluppo di tale concetto avrebbe il potenziale di apportare innovazione nella scienza dei materiali, nella fisica del plasma e nella produzione di energia che potrebbero avere applicazioni sulla Terra. Il progetto potrebbe anche favorire collaborazioni internazionali, riunendo esperti e risorse provenienti da più settori per realizzare obiettivi esplorativi comuni.

Una sfida da vincere

Nuekart ha sottolineato che, ovviamente, ci sarebbero alcuni punti critici da superare, primo fra tutti il raggiungimento e il mantenimento di rapporti di fusione stabili nello spazio.
Sulla Terra, i ricercatori hanno compiuto notevoli progressi con il confinamento magnetico (MCF) e la fusione a confinamento inerziale (ICF). Il primo prevede che i reattori Tokamok utilizzino campi magnetici per confinare la fusione sotto forma di plasma, mentre il secondo si affida ai laser per comprimere e riscaldare compresse di carburante DT. In definitiva, afferma Nuekart, la ricerca sull’MFPD mira a stabilire un percorso che porterà all’esplorazione interplanetaria e (un giorno) interstellare:
“Sebbene il viaggio per realizzare il concetto MFPD sarà innegabilmente costellato di sfide e ostacoli scientifici, il potenziale profitto è enorme. Il raggiungimento di una propulsione a fusione affidabile, efficace ed efficiente potrebbe ridefinire i confini degli obiettivi raggiungibili, spingendo l’umanità in una nuova era di esplorazione, scoperta e comprensione del cosmo. La speranza è che la ricerca susciti curiosità, innovazione e determinazione tra scienziati, ingegneri ed esploratori di tutto il mondo, tracciando la rotta verso il nostro futuro tra le stelle”.