Lo spazio pt. 2 - Idee futuristiche
- D. e M.
- 1 apr 2020
- Tempo di lettura: 5 min
Aggiornamento: 18 apr 2020
In questo post introdurremo alcune idee e progetti che potrebbero semplificare l'esplorazione spaziale, per capire come in futuro il settore potrebbe essere rivoluzionato, rendendo il nostro obiettivo di espansione multiplanetaria più semplice da raggiungere.
L’ascensore gravitazionale
L’idea a nostro parere più promettente è quella dell’ascensore gravitazionale. Si tratta di un concetto piuttosto complesso, ma vediamo di affrontarlo un passo alla volta.
Possiamo individuare in un ascensore gravitazionale (come peraltro in un qualunque ascensore) due componenti principali: una struttura di supporto, che in un ascensore normale è l’insieme di rotaie, cavi ed elementi metallici che formano il percorso su cui si muove la cabina; e la cabina in sé, ossia la parte che si muove sulla struttura e che trasporta le persone o la merce.
Il “percorso” in un ascensore gravitazionale, sarebbe costituito da un insieme di cavi, lunghi circa 40.000 chilometri, ancorati ad un estremo alla superficie terrestre e all'altro ad un contrappeso posto oltre l’orbita geostazionaria. In questo modo il cavo resterebbe teso, come resta teso un filo con attaccato un sasso che fate ruotare a velocità sufficiente intorno a voi.
Questo cavo dovrebbe essere più leggero e resistente di qualunque cavo al momento disponibile, dovrebbe essere più lungo di qualunque cavo mai realizzato e dovrebbe inoltre essere di spessore variabile; più spesso intorno alla metà della lunghezza per sostenere meglio il proprio peso.
Si pensa che un cavo in grafene sarebbe sufficientemente resistente, ma, al momento, abbiamo realizzato soltanto strutture in grafene di scala microscopica e non sappiamo come rendere queste strutture macroscopiche senza perdere le straordinarie caratteristiche di resistenza del materiale. Inoltre il cavo sarebbe enormemente pesante e non abbiamo le tecnologie per trasportarlo in orbita e srotolarlo fino a terra.
Un grosso problema sarebbe il rischio di rottura. Se il cavo si rompesse, precipiterebbe a Terra arrotolandosi intorno al globo, frustando intere città.
Si tratta di un'eventualità che andrebbe prevenuta in ogni maniera, dotando la cabina di paracadute e ponendo delle microcariche esplosive sul cavo per fare in modo che si frammenti e disintegri prima di impattare il suolo, così da limitare i danni.
La cabina dovrebbe essere di grosse dimensioni, poiché per percorrere 40.000 chilometri impiegherebbe giorni, se non settimane, e bisognerebbe trovare un modo di fornirle alimentazione elettrica, per alimentare i motori che permettono la salita.
Queste sono soltanto alcune delle problematiche legate allo sviluppo di questa tecnologia, che necessiterà quindi ancora di molto tempo prima di poter essere seriamente presa in considerazione. I vantaggi sarebbero però molti dal punto di vista economico e ambientale, poiché l'operazione di trasporto sarebbe alimentata da energia elettrica e non da carburanti chimici.
Non possiamo concludere senza parlare dell'ascensore lunare. Avendo la luna una gravità molto più piccola di quella terrestre, sarebbe tecnicamente fattibile utilizzando cavi in materiali già conosciuti come, ad esempio, il kevlar. Certo è che se la sua realizzazione sarebbe teoricamente possibile, sarebbe anche molto costosa e porterebbe un beneficio relativo, poiché il tragitto dalla superficie all'orbita lunare è poco dispendioso dal punto di vista energetico.
(credit: Quora)
Una rappresentazione del "climber", cioè la cabina, di un ascensore spaziale sopra la superficie terrestre.
(credit: Quora)
Una rappresentazione schematica di un ascensore spaziale in funzione.
SSTO
SSTO è un acronimo inglese, letteralmente “Single Stage To Orbit” ossia indica quei veicoli in grado di arrivare in orbita utilizzando un unico stadio, ossia senza sganciare booster o serbatoi di propellente come i razzi tradizionali. Nessun veicolo simile è mai stato realizzato per il funzionamento sulla Terra; arrivare in orbita terrestre richiede infatti un enorme DeltaV. Il DeltaV altro non è che una differenza di velocità da imporre a un veicolo e nello spazio è una misura di quanta energia richieda una determinata manovra.
L’equazione di Ciolkovskij permette di individuare, dati alcuni parametri, il DeltaV massimo ottenibile da un veicolo.
Isp è l’impulso specifico, un parametro di efficienza del motore che viene ottenuto da dati sul tipo di motore, sul carburante utilizzato e sul sistema di alimentazione scelto. Un valore tipico di Isp per un propulsore di primo stadio, ossia il propulsore che viene usato per decollare dalla superficie terrestre, potrebbe essere tra i 290 e i 350 secondi.
g0 è l’accelerazione di gravità. Per la Terra, essa vale circa 9.81 m/s^2.
La parte veramente interessante di questa equazione è ln(mi/mf), ossia il logaritmo della massa iniziale sulla massa finale. La massa iniziale è pari alla massa all’accensione dei motori, quindi massa delle strutture sommata alla massa del propellente. La massa finale invece sarà la sola massa delle strutture, poiché il propellente è stato bruciato e espulso.
In questo grafico possiamo osservare (in blu) il valore del DeltaV, in metri al secondo, per diversi valori del rapporto tra masse. La linea in rosso indica il DeltaV necessario per raggiungere l'orbita terrestre bassa.
Il valore di Isp scelto per tracciare il grafico è di 350 secondi, quindi è stato ipotizzato un propulsore molto efficiente.
Ciononostante si può vedere che la curva blu supera il livello minimo per l'orbita solamente a un rapporto tra masse di circa 17. Per dare un po' di senso a questo numero, un rapporto tra masse di 17 significa che al decollo, il 94% della massa del nostro razzo è propellente, lasciando così solamente il 6% della massa totale per strutture e carico.
Possiamo quindi capire immediatamente perché tutti i razzi esistenti siano a più stadi, infatti potersi liberarsi della massa dei serbatoi vuoti e poter usare diversi motori progettati per condizioni specifiche (come il volo atmosferico o il volo nel vuoto) e quindi più efficienti sia un enorme beneficio.
Per queste ragioni di natura fisica, i progetti di SSTO più promettenti prevedono una prima fase di volo atmosferico, utilizzando non motori a razzo ma esoreattori, simili a quelli dei velivoli da combattimento. In questo modo si riesce a superare la limitazione imposta dalla legge di Ciolkovskij poiché gli esoreattori utilizzano come fluido di spinta l'aria e non il propellente che si portano con sé.
Anche questi progetti hanno enormi difficoltà tecniche; ad esempio è necessario raggiungere un'altissima velocità in atmosfera, anche 10-15 volte la velocità del suono, e ciò genera un'enorme quantità di calore che rischia di fondere la fusoliera. Un'altra difficoltà progettuale è la necessità di portarsi dietro sia motori a razzo (endoreattori) che esoreattori per la prima parte di volo.
Questa breve analisi ci mostra come, per il momento, lo sviluppo di razzi riutilizzabili in maniera rapida e poco costosa sia ancora la nostra chance migliore per raggiungere lo spazio, ma anche che in futuro soluzioni più esotiche potranno entrare in scena e rivoluzionare il nostro rapporto con lo spazio nello stesso modo in cui gli aerei hanno rivoluzionato quello con il cielo.
Per approfondire:
Interessante articolo sulle difficoltà tecniche degli ascensori gravitazionali
Video (in lingua inglese) in cui si narra la storia dei progetti di SSTO e il loro ipotetico futuro, l'intero canale offre video molto ben fatti su vari argomenti inerenti allo spazio
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