I prossimi decenni di esplorazione spaziale vedranno il ritorno degli astronauti sulla Luna, le prime missioni con equipaggio su Marte e le missioni robotiche nel Sistema Solare esterno (tra le altre cose). Queste missioni sfrutteranno tecnologie innovative che consentono transiti più veloci, soggiorni di lunga durata e una vita sostenibile lontano dalla Terra. A tal fine, la NASA e altre agenzie spaziali stanno studiando le applicazioni nucleari, soprattutto per quanto riguarda l’energia e la propulsione. Molte di queste proposte sono state scritte fin dalla prima era spaziale e sono state completamente convalidate.
Martedì 24 gennaio, la NASA e la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) hanno annunciato il lancio di un accordo tra agenzie per sviluppare un concetto di propulsione nucleare-termica (NTP). Il razzo nucleare proposto è noto come Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO), che consentirebbe missioni di transito rapido su Marte (settimane anziché mesi). Questo programma in tre fasi culminerà con una dimostrazione del DRACO in orbita, che dovrebbe avvenire entro l’inizio del 2027.
Dall’inizio dell’era spaziale, la NASA e altre agenzie spaziali hanno preso in considerazione molteplici proposte per veicoli spaziali nucleari. Questi possono essere raggruppati in due categorie: propulsione nucleare termica e nucleare-elettrica (NTP/NEP).
Per propulsione nucleare termica (NTP), un reattore nucleare riscalda il propellente al deuterio o al trizio (idrogeno-2 o -3) per creare plasma, che viene poi incanalato attraverso ugelli per generare spinta.
In un razzo a combustione nucleare-elettrica (NEP), un reattore alimenta un propulsore ad effetto Hall che ionizza il gas inerte (come lo xeno) e lo accelera per generare spinta. Mentre NEP offre un impulso specifico (Isp) più elevato o periodi di spinta più lunghi, NTP offre una spinta maggiore.
Negli ultimi anni sono state fatte diverse proposte per sistemi NTP che potrebbero ridurre i tempi di transito su Marte a meno di 100 giorni, alcuni addirittura a 45 giorni! Avere una tecnologia di trasporto più veloce ed efficiente è fondamentale per le missioni con equipaggio su Marte ed è coerente con gli obiettivi Moon to Mars della NASA. Utilizzando razzi convenzionali, il viaggio su Marte richiederebbe dai sei ai nove mesi e le missioni possono essere lanciate solo ogni 26 mesi (in coincidenza con un’opposizione su Marte). Durante questi transiti, gli astronauti saranno esposti a livelli elevati di radiazioni solari e cosmiche.
Trascorreranno anche l’intero periodo in condizioni di microgravità, il che ha un grave impatto sulla fisiologia umana. Infine, i viaggi più lunghi richiedono più rifornimenti e spazio di archiviazione, che è limitato a bordo della navicella Orion, che funge da sala di comando, dormitorio e sala da pranzo per il suo equipaggio. Un sistema di propulsione più potente consente veicoli spaziali più grandi in grado di ospitare carichi utili scientifici più grandi e fornire più potenza per la strumentazione e la comunicazione. Come ha affermato l’amministratore Bill Nelson in un recente comunicato stampa della NASA.
Secondo l’accordo, lo Space Technology Mission Directorate (STMD) della NASA guiderà lo sviluppo tecnico del motore termico nucleare, che sarà integrato con il veicolo spaziale costruito dalla DARPA. DARPA guiderà il programma generale come autorità contraente, supervisionando l’integrazione e l’approvvigionamento dei sistemi missilistici, le approvazioni, la programmazione e altre considerazioni. La NASA e la DARPA collaboreranno all’assemblaggio del motore prima della dimostrazione nello spazio già nel 2027.
Passato e futuro del razzo nucleare
Per la NASA, i precedenti sforzi per sviluppare tecnologie nucleari per l’esplorazione spaziale includono il Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA), che è stato testato con successo nel 1964 e nel 1969. I generatori termoelettrici a radioisotopi (RTG) sono stati testati nello spazio dal 1961 e facevano parte di gli esperimenti di superficie delle missioni Apollo. Da allora, i generatori termoelettrici a radioisotopi multi-missione (MMRTG) hanno alimentato sonde robotiche come le missioni Viking, Voyager, Galileo, Cassini e New Horizons e i rover Curiosity e Perseverance.
Anche la NASA, il Dipartimento dell’Energia (DOE) e i partner commerciali-industriali stanno lavorando per realizzare tecnologie nucleari per molteplici profili di missione. Ciò include il progetto Fission Surface Power della NASA, che espande il suo progetto Kilopower Reactor Using Sterling TechnologY (KRUSTY) per sviluppare reattori nucleari che potrebbero alimentare missioni di lunga durata sulla Luna, su Marte e oltre. A giugno, la NASA e il DOE hanno assegnato tre sforzi di progettazione commerciale per sviluppare concetti di centrali nucleari che potrebbero essere utilizzati sulla superficie della Luna e, successivamente, su Marte.
Quest’anno, il programma NIAC (Innovative Advanced Concepts) della NASA ha assegnato contratti di Fase I a molteplici tecnologie nucleari proposte. Questi includono un reattore ibrido a fusione/fissione rapida che alimenterebbe una missione su Europa, un motore nucleare-termico che potrebbe consentire missioni su Marte in soli 45 giorni e una batteria nucleare in miniatura che potrebbe consentire le missioni CubeSat nel Sistema Solare esterno.
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