Lo Spazio pt. 1 - Decollo
- D. e M.
- 4 mar 2020
- Tempo di lettura: 5 min
Aggiornamento: 14 mag 2020
Abbandonare la superficie della Terra è un problema di velocità. Per inserirsi in quella che chiamiamo orbita terrestre, una generica traiettoria ellittica di rotazione attorno al nostro pianeta, è necessario acquisire una certa velocità. Ogni orbita, ossia ogni traiettoria, ha una determinata velocità caratteristica, per cui per entrare in quell’orbita, è necessario avere esattamente quella velocità. Come si acquisisce questa velocità? L’invenzione dell’uomo per raggiungere lo spazio è il razzo.
Quando camminiamo, per spostarci ci spingiamo contro il terreno; l’attrito con questo ci permette di spingerci in avanti. Una bicicletta funziona nello stesso modo, anche se ad interagire col terreno è una ruota. Su un aereo o su una nave invece, la spinta viene ottenuta accelerando una massa rispettivamente d’aria o d’acqua nella direzione opposta a quella in cui si vuole andare, ottenendone in cambio una spinta.
Ma come ci si sposta nello spazio, che è per definizione vuoto e quindi privo sia di terreno su cui spingersi che di fluido da spostare per guadagnare velocità?
Si usa lo stesso meccanismo degli aerei o delle navi, solo che il fluido da accelerare per ottenere una spinta bisogna averlo con sé. Può sembrare difficile, ma si tratta di un concetto estremamente semplice, una volta capita l’analogia. Immaginiamo ad esempio di essere su una sedia con un estintore e di aprire la valvola in una direzione; ci troveremo ad avere una spinta nella direzione opposta!
Per capire appieno questo fenomeno bisogna considerare il principio di conservazione della quantità di moto. La quantità di moto è data dalla massa moltiplicata per la velocità di un oggetto e il principio afferma che, se non agiscono forze, la quantità di moto resta costante. Sappiamo che può sembrare complicato, ma torniamo all’estintore: la cosa importante che ci dice questo principio è che più la schiuma in uscita è veloce più noi guadagneremo velocità. Allo stesso modo in un razzo: più il fluido che esce dal razzo è veloce maggiore sarà la velocità del razzo. Ma come abbiamo detto all'inizio, anche la massa rientra nel principio: maggiore è la massa del fluido/oggetto spinto, maggiore sarà la nostra velocità. Prendiamo l’esempio dell’estintore, ma al posto di avere un estintore abbiamo una palla medica che dovremo lanciare. Se la velocità della palla è la stessa, più pesante è la palla maggiore sarà la nostra velocità. In definitiva, vogliamo far fuoriuscire dal razzo un fluido molto veloce e sufficientemente pesante, così da ottenere la maggior velocità possibile.
Il funzionamento dei razzi si basa su questo concetto. All'interno del razzo vengono conservate due sostanze diverse, un combustibile e un comburente; essi vengono iniettati nella camera di combustione in cui bruciano, creando dei gas combusti molto caldi e ad altissima pressione, che vengono accelerati attraverso un ugello e fuoriescono da questo ad altissima velocità, intorno ai 4 km al secondo. È proprio la quantità di moto di questo gas in uscita che spinge il razzo nella direzione opposta.
Tipicamente, dopo essere decollato e aver svolto la sua funzione di portare un carico in orbita, un razzo precipita disintegrandosi nell’Oceano o in una zona apposita.
Ogni razzo fa un solo viaggio e questa è la principale ragione per cui andare nello spazio è così costoso. Immaginate di buttare via un aereo dopo ogni atterraggio: volare sarebbe costosissimo e quasi nessuno potrebbe permetterselo.
Il primo tentativo di risolvere questo problema è stato il programma americano Space Shuttle. Nel programma Shuttle la navicella era riutilizzabile, per abbattere il costo di lancio. Purtroppo, il programma non ha avuto successo in questo senso, a causa delle difficoltà tecniche che servivano per rimettere in condizioni di volare lo Shuttle dopo ogni lancio e dei relativi costi, che rimanevano comunque molto alti. Inoltre, si è rivelato un velivolo sì molto utile e versatile, ma anche complesso e pericoloso, contando due incidenti con un totale di 14 vittime nel suo periodo di operazione.
Il corpo dello shuttle ospitava il carico trasportato, i motori e serbatoi per le manovre orbitali, l’equipaggio e i motori principali. Le uniche parti che dovevano essere nuove a ogni lancio erano i serbatoi esterni, poiché precipitavano in mare disintegrandosi. I booster bianchi invece, venivano frenati da alcuni paracadute e ammaravano (quasi sempre) senza danni, potendo quindi essere recuperati e riutilizzati.
(credit: NASA)
Space Shuttle, navicella Discovery. In Arancio vi è il serbatoio principale di combustibile, da cui il combustibile fluiva nei motori principali, contenuti all'interno della navicella (in bianco). Ai lati del serbatoio principale possiamo osservare due booster di colore bianco. Si tratta di due razzi a propellente solido (come principio di funzionamento simili a fuochi d'artificio) che aiutavano lo Shuttle nelle prime fasi di volo, dopodiché si staccavano e precipitavano in mare.
Lo Space Shuttle poteva ospitare fino a 7 astronauti e 25 tonnellate di carico nella sua stiva. Moltissimi traguardi dell'esplorazione spaziale sono stati resi possibili da questo veicolo, come l'assemblaggio in orbita della stazione spaziale orbitale o il montaggio e riparazione del telescopio spaziale Hubble.
Oggi l’unico vero esempio di “reusability”, ossia il concetto di riutilizzare un medesimo veicolo spaziale più volte, è SpaceX. Questa azienda americana dagli obiettivi molto ambiziosi in pochi anni è riuscita a sviluppare i velivoli più all’avanguardia del mondo, nel suo tentativo di rivoluzionare il settore creando un razzo completamente riutilizzabile. Ad oggi, i suoi velivoli Falcon 9 e Falcon Heavy, sono gli unici in grado di riutilizzare il booster del primo stadio che, dopo aver svolto la sua funzione, atterra verticalmente su una piattaforma o su una chiatta, a seconda del profilo di missione. Non è ancora un riutilizzo totale, ma è già un enorme passo avanti, tanto che, grazie alla sua efficienza, SpaceX è in grado di offrire lanci a meno della metà del prezzo della concorrenza.
(credit: SpaceX)
In questa foto, si vede il primo stadio del razzo Falcon 9 di SpaceX mentre riatterra verticalmente dopo aver portato a termine la sua missione. Questo booster ha un diametro di 3.6 metri ed è alto quanto un palazzo di 15 piani. Sviluppare le tecnologie per portarlo a un atterraggio controllato è stato un traguardo incredibile.
SpaceX sta sviluppando un nuovo razzo, chiamato Starship, che promette di trasportare molto più carico rimanendo completamente riutilizzabile, abbattendo così i costi e permettendo un massiccio sviluppo del settore.
I razzi sono l’unico mezzo che l’umanità abbia utilizzato, ad oggi, per andare nello spazio, ma moltissime altre idee e invenzioni sono state prese in considerazione. Nel prossimo post esamineremo alcune delle più interessanti tra queste invenzioni.
Per approfondire:
Sito ufficiale di SpaceX, per foto e dettagli sui loro veicoli
Un canale youtube (in inglese) che produce contenuti educativi sui razzi
Un simpatico videogioco che è forse uno dei migliori strumenti per capire come funzionano i razzi e la meccanica orbitale
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