Starship evolution

 Starship sarà il primo lanciatore completamente riutilizzabile nella storia, una specie di "Santo Graal" dell'astronautica. Se avrà successo (e tutti lo speriamo) sarà in grado di ridurre il costo per l'invio di materiale nello spazio di decine di volte. A quel punto, tutte le agenzie spaziali al mondo, pubbliche e private, cercheranno di imitarlo ma dovranno recuperare un gap tecnologico importante, dato che negli anni SpaceX, grazie soprattutto al Falcon-9, ha acquisito conoscenze fondamentali sul riutilizzo del primo stadio tramite atterraggio autonomo.

 In un articolo di oltre 2 anni fa fa ho ripercorso brevemente la storia del progetto, azzardando una roadmap sull'utilizzo di Starship, specialmente nella eventuale colonizzazione di Marte. Per quanto grande e dotato di un ampio volume abitabile, però, anche l'attuale progetto potrebbe rivelarsi insufficiente per un obiettivo così ambizioso. In effetti, l'idea proclamata di stivare al suo interno un centinaio di persone può funzionare per un viaggio di breve durata, come un trasferimento intercontinentale tramite un volo sub-orbitale della durata di meno di un'ora o, al massimo, un viaggio di pochi giorni verso la Luna; è semplicemente impensabile avere un equipaggio così grande nel caso di un viaggio interplanetario lungo svariati mesi. Starship avrà un volume abitabile che è circa il doppio di quello nella Stazione Spaziale Internazionale, che normalmente ospita per lunghi periodi solo 6 astronauti; quindi anche eliminando lo spazio riservato agli strumenti scientifici (ma c'è bisogno comunque dello spazio per stivare le ampie riserve alimentari), non è realistico immaginare un viaggio interplanetario sulla Starship attuale con un equipaggio che superi una dozzina di individui. A parte le difficoltà tecniche, il sovraffollamento potrebbe causare seri problemi psicologici e di convivenza in uno spazio comunque ristretto e per un tempo così prolungato.

 Da qui, dovendo colonizzare il pianeta rosso con parecchie migliaia di individui, sorge la necessità di realizzare versioni ancora più capienti di Starship ed è proprio questo l'oggetto del presente articolo. Del resto, lo stesso Elon Musk ha accennato in passato alla possibilità di realizzare un "super-Starship" di dimensioni enormi, con diametro raddoppiato a 18 metri, altezza di circa 200 metri e capacità di carico ben 8 volte maggiore del modello attuale. In realtà, una simile capacità appare ottimistica, come vedremo.

 Nelle tre tabelle qui sopra ho provato a fare ipotesi più realistiche sulle possibili versioni future, immaginando una evoluzione dei motori Raptor in modo da crescere progressivamente di potenza e anche nelle dimensioni, eventualmente. In tutti e tre i casi, il modello 0.9 è quello sviluppato prima di S24/B7 e poi abbandonato perchè basato su 29 vecchi motori Raptor-1, meno potenti degli attuali. La versione 1.5, che potremmo soprannominare "Long Starship", sfrutterà un lieve potenziamento degli attuali Raptor-2 (anche questo già preannunciato da Musk)* che permetterebbe di aumentare la capacità di carico, sia in termini di massa che di volume, mantenendo il diametro attuale e sfruttando al limite le attuali infrastrutture di lancio.

 Le versioni Starship "large", indicate come 2.0 e 3.0, sono invece decisamente più grandi e richiederebbero nuove infrastrutture, in particolare una piattaforma OLP più ampia e una torre OLIT più alta, con chopsticks più robusti per sostenere carichi maggiori. Per contenere i costi, ho immaginato che queste infrastrutture siano "universali" ovvero compatibili con entrambi i modelli "large", come illustrato nell'immagine seguente.

Confronto tra i vettori Saturn-V, SLS/Artemis-1 e le varie versioni Starship ipotizzate nelle prime due tabelle riportate in precedenza. Si noti che le infrastrutture sono le stesse per le due versioni "big" e "giant"

Autore:  Marco Di Lorenzo

 Si noti che, nelle prime due tabelle, il diametro subisce un aumento tale da raddoppiare l'area di base, passando dalla versione normale/lunga a quella "big" e poi alla versione "giant". Questo consente di raddoppiare il numero di motori alla base oppure di raddoppiarne la sezione e quindi la spinta, in proporzione. Anche così facendo, è impensabile che l'altezza del veicolo possa crescere nella stessa proporzione, dato che il volume e quindi la massa crescerebbero di un ulteriore 41% e difficilmente i motori, sebbene potenziati rispetto a quelli attuali, riuscirebbero a fornire la spinta necessaria a sollevare il veicolo. Pertanto, qui ho fatto ipotesi più conservative e realistiche sulla crescita in altezza e sull'aumento della capacità di carico, supponendo che le future versioni di Raptor crescano del 12-13% nella spinta, rispetto alle precedenti; ho anche supposto che l'accelerazione iniziale al lancio rimanga quasi invariata tra le differenti versioni.

 Possibile configurazione a 59 motori Raptor-3 da 1,75 metri di diametro, per la versione gigante da 16 metri. -  Autore: Marco Di Lorenzo (con l'ausilio di un codice scritto in "Decimal Basic")

 L'ultima tabella è quella che ritengo più praticabile, con un unico modello di motore evoluto che servirà a spingere le due versioni "large" da 12 e 16 metri di diametro, dunque leggermente meno ampie rispetto alle tabelle iniziali. Mentre la versione 2.0 utilizza lo stesso numero di motori nella stessa configurazione della 1.0 e 1.5, aumentandone semplicemente le dimensioni del 33%, la versione gigante potrebbe utilizzare la configurazione mostrata qui sopra, che rimpiazza il singolo anello esterno di 20 motori fissi con due anelli concentrici sempre da 20 motori ciascuno, mentre i rimanenti 19 motori centrali sono orientabili ed in grado di supportare le manovre di rientro controllato. In questo modo, anche se non si sfrutta tutta l'area disponibile nella zona più esterna, si riesce a rendere questa versione facilmente compatibile con quella 2.0, con una minima modifica del sistema di ignizione incorporato nella "Launch Table". I modelli corrispondenti sono visualizzati in questa ulteriore simulazione:

Le 4 configurazioni ipotizzate nell'ultima tabella, con diametri di 9, 12 e 16 metri - Autore: Marco Di Lorenzo

 A questo punto, è ragionevole pensare che i modelli 2.0 e 3.0 possano agevolmente trasportare su Marte equipaggi composti all'incirca da 30 e 50 persone, rispettivamente. Si noti che la versione più grande riuscirebbe a portare in orbita, con un solo lancio, una massa pari all'intera stazione spaziale internazionale già completamente assemblata!

 In attesa di vedere se davvero un giorno esisteranno simili varianti, incrociamo le dita e godiamoci intanto l'attesissimo spettacolo del test orbitale sulla prima vera astronave della storia!

* nota (aggiunta a giugno 2023): quella che qui indico come "Raptor 2.5" è di fatto la versione 3, recentemente annunciata e testata con successo a una pressione di 350 bar e con una spinta di 269 tonnellate, dunque leggermente superiore a quanto da me pronosticato. A questo punto, nella tabella, quello che io chiamo "Raptor 3" andrebbe sostituito con una ipotetica versione futura di diametro maggiore (Raptor 4?). Per quanto riguarda il modello "Long Starship", ultimamente Elon Musk ha nuovamente accennato all'idea di realizzare un Orbiter più lungo di ben 10 metri (contro i 4 da me ipotizzati) ma questo imporrebbe una altezza totale del veicolo di almeno 135 metri, con difficoltà nel poter issare l'orbiter sul booster da parte dell'attuale sistema OLIT, a meno di non abbassare drasticamente il punto di appoggio dell'orbiter sui chopsticks, con possibili problemi di stabilità!