Propulsione a fusione nucleare
La colonizzazione dello spazio
con la propulsione a fusione nucleare
(Prima parte)
del Dott. Friedwardt Winterberg
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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.