 на 2023 рік NASA обрало ядерну концепцію для першої фази розробки.){kind=link}
Viviamo in un'era di rinnovata esplorazione spaziale, con diverse agenzie che pianificano di inviare astronauti sulla luna nei prossimi anni. Nel prossimo decennio, la NASA e la Cina invieranno equipaggi su Marte e altri paesi potrebbero presto unirsi a loro. Queste e altre missioni che porteranno gli astronauti oltre l'orbita terrestre bassa (LOO) e il sistema Terra-Luna richiedono nuove tecnologie che vanno dal supporto vitale e dalla protezione dalle radiazioni all'energia e alla propulsione. E quando si tratta di quest'ultimo, la Propulsione Nucleare Termica e Nucleare Elettrica (NTP/NEP) è la principale contendente per la vittoria!
Nell'ambito del programma NIAC (Innovative Advanced Concepts) della NASA del 2023, la NASA ha selezionato un concetto nucleare per la prima fase di sviluppo. Questa nuova classe di centrali nucleari bimodali utilizza un "ciclo dell'onda di accelerazione del rotore" e può ridurre il tempo di volo su Marte a 45 giorni.
La proposta, chiamata Bimodal NTP/NEP con Wave Rotor Acceleration Cycle, è stata avanzata dal professor Ryan Gosse, direttore del programma di ipersonica presso l'Università della Florida e membro del team del Florida Program for Applied Research in Engineering (FLARE). La proposta di Gosse è una delle 14 selezionate quest'anno dalla NAIC per la prima fase di sviluppo, che include una sovvenzione di 12 dollari per aiutare a sviluppare le tecnologie ei metodi associati al progetto. Altre offerte includevano sensori innovativi, strumentazione, tecnologie di produzione, sistemi di alimentazione e altro ancora.
L'energia nucleare si riduce essenzialmente a due concetti, entrambi basati su tecnologie che sono state accuratamente testate e verificate. Per la propulsione termica nucleare (NTP), il ciclo è costituito da un reattore nucleare che riscalda l'idrogeno liquido (LH2), trasformandolo in idrogeno gassoso ionizzato (plasma), che viene poi indirizzato attraverso ugelli per creare la spinta. Sono stati fatti diversi tentativi per creare una versione di prova di questo sistema di propulsione, compreso il progetto vagabondo, un progetto congiunto della US Air Force e della Commissione per l'Energia Atomica lanciato nel 1955.
Nel 1959, la NASA subentrò all'aeronautica americana e il programma entrò in una nuova fase dedicata alle applicazioni di volo spaziale. Ciò alla fine portò alla propulsione nucleare per veicoli a razzo (NERVA), un reattore nucleare a nucleo solido che fu testato con successo. Con la fine dell'era Apollo nel 1973, i finanziamenti per il programma furono drasticamente ridotti, portando alla sua cancellazione prima che venissero condotti i test di volo.
La propulsione elettrica nucleare (NEP), invece, si basa su un reattore nucleare per alimentare un propulsore ad effetto Hall (propulsore ionico) che genera un campo elettromagnetico che ionizza e accelera un gas inerte (come lo xeno) per creare spinta. Gli sforzi per sviluppare questa tecnologia includono il progetto Prometheus della NASA nell'ambito della Nuclear Systems Initiative (NSI).
Entrambi i sistemi presentano vantaggi significativi rispetto ai motori chimici tradizionali, tra cui impulso specifico (Isp) più elevato, efficienza del carburante e densità di energia virtualmente illimitata. Sebbene i concetti differiscano in quanto forniscono un impulso specifico di oltre 10mila secondi, ovvero possono mantenere la spinta per quasi tre ore, il livello di spinta è piuttosto basso rispetto ai razzi e agli NTP convenzionali.
La necessità di una fonte di energia elettrica, ha affermato Gosse, solleva anche il problema della dissipazione del calore nello spazio, dove la conversione dell'energia termica è del 30-40% in condizioni ideali. E mentre i progetti NTP della NERVA sono il metodo migliore per le missioni con equipaggio su Marte e oltre, questo metodo ha anche problemi nel fornire frazioni di massa iniziale e finale adeguate per le missioni con picchi di alta delta.
Per questo sono preferite le proposte che prevedono entrambe le modalità di spostamento (bimodali), in quanto uniscono i vantaggi di entrambe. La proposta di Gosse prevede un progetto bimodale basato sul reattore a combustibile solido NERVA, che fornirebbe un impulso specifico (Isp) di 900 secondi, il doppio delle prestazioni attuali dei razzi chimici.
Il ciclo proposto da Gosse include anche un wave pressure booster o wave rotor (WR), una tecnologia utilizzata nei motori a combustione interna che utilizza le onde di pressione create dalla reazione di compressione dell'aria aspirata.
Abbinato a un motore NTP, il WR utilizzerà la pressione creata riscaldando il combustibile LH2 nel reattore per comprimere ulteriormente la massa di reazione. Come promette Gosse, ciò fornirà livelli di spinta paragonabili a quelli del concetto NTP di classe NERVA, ma con un tempo di lancio di 1400-2000 secondi. Se combinato con il ciclo NEP, dice Gosse, il livello delle voglie aumenta ancora di più.
Se vengono utilizzati motori convenzionali, una missione con equipaggio su Marte può durare fino a tre anni. Queste missioni verranno lanciate ogni 26 mesi quando la Terra e Marte si trovano alla distanza più vicina (la cosiddetta opposizione marziana) e trascorreranno almeno dai sei ai nove mesi in transito.
Un transito di 45 giorni (sei settimane e mezzo) ridurrebbe il tempo totale della missione a mesi invece che ad anni. Ciò ridurrebbe notevolmente i principali rischi associati alle missioni su Marte, tra cui l'esposizione alle radiazioni, il tempo trascorso in condizioni di microgravità e i relativi problemi di salute.
Oltre alle centrali elettriche, ci sono proposte per nuovi progetti di reattori che fornirebbero un'alimentazione stabile per missioni a terra di lunga durata in cui l'energia solare ed eolica non sono sempre disponibili.
Gli esempi includono il Kilowatt Reactor Using Sterling Technology (KRUSTY) della NASA e il reattore ibrido a fissione/fusione selezionato per la prima fase di sviluppo della NASA nell'ambito del programma NAIC 2023. Queste e altre tecnologie nucleari potrebbero un giorno consentire missioni con equipaggio su Marte e in altri luoghi nello spazio profondo , forse prima di quanto pensiamo!
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