Propulsione a fusione nucleare

   
   

Schema di funzionamento del
propulsore a fusione nucleare

Camera di scoppio del NIF

   

 

La colonizzazione dello spazio con la propulsione a fusione nucleare
(
Prima parte)

del Dott. Friedwardt Winterberg

Le quattro grandi tecnologie sviluppate nel secolo scorso sono l'aeroplano, la fissione nucleare, i computer e i razzi per i voli nello spazio. Inoltre più avanzate tecnologie medico biologiche e quelle relative alla fusione nucleare si affermeranno pienamente nelle prime decadi 21mo secolo.

La fusione è una specie di fuoco, è l'accensione di una piccola stella sulla terra. Al contrario della combustione chimica la fusione richiede temperature di 100 milioni di gradi, come quelle che esistono al centro del nostro Sole.
Da quando la teoria della relatività fu scoperta da Einstein in cui E= mc2, noi abbiamo appreso che c'è una enorme quantità di energia nella materia. Il problema è sempre stato come ricavare tale energia ? Il problema fu risolto nel 1928 quando si scoprì che a temperature estremamente alte alcuni nuclei leggeri reagivano producendo una enorme quantità di energia. Arrivare a quelle temperature allora non era facile, due anni più tardi ad una famosa conferenza di fisici Lord Rutherford disse che la produzione di energia per via termonucleare era impossibile sulla Terra perché troppo alta era la temperatura da raggiungere. Pochi anni dopo fu però scoperta la fissione nucleare che ha dato all'umanità il beneficio di una nuova fonte di energia e ha aperto la strada verso la fusione nucleare. Molto si è detto sull'uso della fusione nucleare per la produzione di energia elettrica. Questa è comunque solo una delle applicazioni; l'altra principale applicazione sarà quella di fornirci un motore efficiente per i voli nello spazio.

La propulsione con i razzi

Una delle grandi sfide per il futuro è lo sviluppo di sistemi basati sullo propulsione con i razzi capaci di trasportare grandi carichi su distanze interplanetarie. Il programma Apollo dimostrò che siamo capaci di atterrare sulla Luna o su un altro pianeta del sistema solare, ma non con un grande carico. La Luna è relativamente vicina alla Terra. Se cerchiamo di arrivare su Marte con la propulsione chimica, occorreranno anni e gli astronauti dovrebbero viaggiare in un veicolo non più grande di un bus. Un ambiente certamente non pratico per viaggi di lunga durata. La propulsione chimica va bene solo per le sonde spaziale senza equipaggio umano. Sappiamo che le sonde senza equipaggio hanno dei limiti nell'esplorazione dello spazio. Solo l'uomo con la versatilità della sua mente può essere capace di rispondere a domande e a esperienze totalmente nuove. Solo con la fusione nucleare si può costruire un sistema di trasporto interplanetario pratico ed efficiente. L'uomo non sarà solo in grado di esplorare il sistema solare ma anche di colonizzarlo e industrializzarlo.
Il problema cruciale della propulsione con i razzi è quello di ottenere una velocità di fuoriuscita delle particelle molto alta. Il parametro chiave per la prestazione è l'Impulso Specifico ovvero l'Impulso diviso l'unità di peso del propellente del razzo, ma( Dt/mg)= Dv/g (Nota 1), misurato in secondi. Più caldo è il gas, più grande sarà il movimento delle molecole, e quindi più grande sarà la velocità delle molecole dei gas di scarico. Le alte temperature raggiunte nella fusione nucleare produrranno velocità altissime nei casi di scarico dei razzi (milioni di metri al secondo), con un Impulso Specifico di 100.000 secondi. Razzi chimici normalmente raggiungono Impulsi Specifici di 450 secondi. Come sappiamo dalla teoria della propulsione con i razzi, la sua velocità può essere aumentata fino ad un massimo di 3 volte quella dei gas di scarico. Per questo si usano razzi a tre stadi. Infatti per sfuggire l'attrazione gravitazionale della Terra è necessario ottenere una velocità del circa 12 Km/sec che può essere raggiunta solo con un razzo a stadi multipli. Ogni stadio può far ottenere un aumento di velocità di circa 3 o 4 Km/sec. In ogni caso la massima velocità che si può raggiungere con il propellente chimico va da 10 a 20 Km/sec. Con queste velocità per arrivare su Marte occorrerebbero anni. Occorre quindi un propellente che permetta una velocità di fuoriuscita dei gas di scarico molto più alta. La risposta è la fusione termonucleare. Usando la propulsione a fusione nucleare si possono ottenere gas di scarico dei razzi con velocità non di qualche Km /sec ma di migliaia di Km/sec. L'idea generale è di costruire la nave spaziale interplanetari a fusione direttamente in orbita dove non c'è gravità e quindi è possibile assemblare strutture molto grandi. Tutte le componenti per la nave spaziale e per i propulsori dovrebbero essere portati in orbita attraverso sistemi a propellente chimico, come lo shuttle, (per andare dalla superficie della Terra alle orbite basse i sistemi chimici sono sempre i più convenienti). I razzi e la nave assemblati in orbita potrebbero trasportare carichi di migliaia o anche milioni di tonnellate dall'orbita della Terra all'orbita di Marte. Dall'orbita di Marte si potrebbe poi discendere sul pianeta usando razzi a propellente chimico.

Microesplosioni termonucleari

La reazione di fusione che moverà i propulsori della nave spaziale consisterà di molte microesplosioni, che si susseguiranno regolarmente e dove una piccola quantità di energia verrà rilasciata per ogni esplosione. Molti ordini di grandezza minore di quella delle attuali bombe all'idrogeno. Questo processo è conosciuto come la fusione a confinamento inerziale. La fusione magnetica, per ragioni che qui non approfondiremo, non è adatta per la propulsione con i razzi. La fusione inerziale è invece l'ideale per muovere un razzo. Nella fusione a confinamento inerziale i laser o altri tipi di fasci di particelle innescano microesplosioni termonucleari che sono piccole abbastanza da rimanere confinate in una camera di "combustione" per la produzione di energia o possono essere uste per la propulsione di un razzo. Gli ingegneri specializzati nella missilistica hanno sempre sognato un sistema di propulsione per razzi che avesse un alto Impulso Specifico (una grande velocità dei gas di scarico) e un contemporaneamente una forte spinta. Per esempio in un sistema a propulsione chimica come il razzo Saturno la spinta era molto alta, diverse centinaia di ton, ma la velocità di scarico dei gas era solo 1 o 2 Km/sec. L'Impulso Specifico, misurato in secondi , è l'impulso per unità di peso delle particelle che compongono il gas di scarico. Più alto è l'impulso specifico più efficiente è la fonte di energia. La spinta è invece la forza prodotta dalla fuoriuscita dei gas di scarico. Solo con le microesplosioni delle "pellet" di combustibile per la fusione nucleare si può avere sia un alto Impulso Specifico che una forte spinta. Nel sistema di propulsione a fusione il fascio di fotoni o di altre particelle innesca la reazione di fusione in una "pellet" di combustibile non più grande di un'aspirina, tale microesplosione producendo un'energia equivalente di non meno di 10 ton di TNT. Le microesplosioni avverranno nel fuoco di uno specchio magnetico a forma di paraboloide in cui il campo magnetico sarà generato da avvolgimenti superconcuttori. Le microesplosioni si susseguiranno regolarmente, circa una al secondo, e la palla di fuoco di ogni esplosione sarà riflessa dalla specchio magnetico e indirizzata dalla parte opposta della velocità della nave accelerandola.
Lo sviluppo dei razzi a fusione nucleare richiede quindi lo sviluppo di due tecnologie: la fusione inerziale che avviene a temperature estremamente alte e la superconduttività una tecnologia che necessita di temperature estremamente basse. La palla di fuoco delle microesplosione sarà così calda che non potrà mai essere messa a contatto diretto con la nave spaziale. Questo problema ara risolto molto elegantemente proteggendo la nave spaziale con un campo magnetico sempre prodotto dai magneti superconduttori raffreddati con elio liquido. Probabilmente, nel caso di viaggi all'interno del nostro sistema solare, la velocità de gas di scarico dei razzi a fusione termonucleare potrebbe essere troppo alta e si dovrà ridurla aggiungendo idrogeno ai gas di scarico.
L'idea di utilizzare una sequenza di microesplosioni per spingere un razzo in realtà e' molto vecchia. Dopo che fu scoperta la fissione nucleare scienziati del Los Alamos National Scientific Laboratory studiarono, per primi, un razzo che doveva essere spinto da una sequenza di esplosioni di bombe atomiche a fissione nucleare. Questo idea fu quindi approfondita nel dopoguerra, il famoso Progetto Orion che fu presto abbandonato perché considerato troppo rischioso. Gli avanzamenti nella ricerca della fusione inerziale negli ultimi 20 anni hanno di nuovo aperto la strada a questa possibilità. (Nota 2)

Ricordiamo che per innescare una bomba all'idrogeno fino ad oggi e' sempre stata usata una bomba a fissione nucleare. Gli scienziati però hanno pensato di sviluppare altri sistemi per innescare la reazione di fusione nucleare, l'idea e' quella di produrre "bombe" all'idrogeno tanto piccole da poterne contenere l'esplosione in una camera di reazione e di poterle usare per la propulsione dei razzi.. L'idea in effetti e' simile a quella del progetto Orion, ma invece di far esplodere bombe a fissione di 5 o 10 kilotoni ogni qualche decina di secondi, le esplosioni a fusione nucleare saranno piccole a piacere, e quindi verranno fatte esplodere con un intervallo di tempo minore, quanto basta per avere una forte velocità di scarico dei gas nei razzi di propulsione. Si otterranno cosi alte velocità e la possibilità di trasportare grandi carichi.

Edward Teller padre della bomba H, uno dei pionieri nel campo della fusione nucleare, credeva fermamente nell'uso della fusione come motore per le navi spaziali, anzi era sicuro che si sarebbe sviluppata prima la tecnologia per usare la fusione nucleare come propulsore per i razzi e poi per produrre energia elettrica. Voglio infine aggiungere che la tecnologia dei laser nella fusione inerziale non e' certo l'unico metodo possibile per innescare le microesplosioni delle "pellet" di combustibile da fusione. Metodi molto promettenti sono anche quelli che usano fasci di particelle. Con gli acceleratori di particelle in sviluppo al Sandia National Laboratory negli USA e ai laboratori da Angara in Russia la fusione a confinamento inerziale potrebbe presto diventare una realtà.

 

Nota1
ma e' la massa per l'accelerazione; Dt e' la variazione del tempo; mg la massa per l'accelerazione di gravità; Dt la variazione della velocità.

Nota 2
Per la costruzione di una bomba a fissione nucleare occorre raggiungere la massa critica per innescare la reazione a catena: almeno 10 Kg di Plutonio o almeno 45Kg di Uranio 235. L'esplosione che segue quindi, 20 kilotoni fu la potenza dell'esplosione della bomba di Hiroscima, per quanto piccola si voglia, risulta sempre di una potenza significativa anche se oggi si arriva a costruire bombe della potenza di 1 kilotone. Così non e' per la bomba all'idrogeno dove non c'e' nessuna massa critica da raggiungere per la fusione dei nuclei leggeri. Teoricamente si potrebbe ottenere la reazione di fusione portando alle giuste condizioni di pressione e temperatura un singolo atomo di Deuterio e un singolo atomo di Trizio. Si può quindi utilizzare una massa minima di combustibile ottenendo un rilascio di energia piccolo e controllabile.

www.space.com
www.esa.int/esaCP/Italy.html
www.nasa/gov.com

Il Dott Friedwardt Winterberg è stato un pioniere nella fusione a confinamento inerziale, Professore al Desert Research Institute dell'Università del Nevada, pioniere nella ricerca della tecnologia spaziale. Nel 1979 ha ricevuto la medaglia Hermann Oberth dell' Herman Oberth -Wernher Von Brown International Space Flight Foundation per il suo lavoro sulla propulsione termonucleare. E' conosciuto per la sua idea che ha portato allo sviluppo del sistema GPS.

 

Il Progetto Orion: negli anni sessanta e settanta gli USA studiarono il progetto di usare la propulsione nucleare per missioni su Marte e Saturno

 

 

 

 

 

   

 

 
     
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