Un guscio di plasma per i rientri atmosferici

Viaggiare nello spazio non è così semplice come si è portati a pensare. La fantascienza ci offre spesso degli scenari molto idilliaci, in cui viaggiare da un pianeta all’altro può essere talvolta semplice come viaggiare da una città all’altra qui sulla Terra.
La traiettoria di una navicella spaziale è influenzata dal campo gravitazionale dei corpi celesti, che significa, come accennato qui, portare il vascello ad elevate velocità per scappare dalla sfera di influenza gravitazionale del corpo di partenza (che di sua natura tenderà a frenare questa corsa) per giungere nella sfera di influenza gravitazionale del corpo d’arrivo, cioè farsi catturare dal suo campo gravitazionale, (che per sua natura farà accelerare l’astronave quando questa gli passerà vicino). Ciò è un problema, perché bisogna poi smaltire le velocità acquisite (e quindi l’energia cinetica posseduta dal vascello) per entrare in orbita stabile od addirittura atterrare. Stesso problema si pone per un qualsiasi vascello vuole rientrare da un orbita stabile.

Un primo approccio potrebbe essere orientare il vascello con un verso opposto a quello di marcia, e frenare accendendo i propulsori. Questo spesso è usato per sonde che avvicinano corpi celesti di piccole dimensioni a velocità relative modeste, come lune, asteroidi; o come è successo per la sonda Messenger a seguito di un “assist gravitazionali” per avvicinarsi a Mercurio.
Questo può essere svantaggioso quando le velocità sono maggiori, perché trovarsi a passare ad una velocità di qualche chilometro al secondo al periapside del pianeta a zero per atterrare richiederebbe una quantità di propellente eccessiva e di conseguenza aumentare i costi di una missione, dovendo progettare vascelli più grandi fatti lanciare da razzi più grandi e potenti (od usare più lanci ed assemblare le navi in orbita), ed in ogni caso è l’unico possibile per corpi celesti non dotati di atmosfera (come fu per le missioni Apollo).

Quando l’obiettivo è dotato di atmosfera (ad esempio Marte) si ricorre ad un altro approccio: la manovra di aerofreno, che consiste nello sfruttare l’attrito atmosferico per smaltire velocità, e quindi energia cinetica.
Ciò comporta vari problemi. Ad esempio smaltire l’elevata temperatura dovuta dall’attrito. Fin’ora si è risolto questo problema usando degli scudi termici realizzati in materiale ceramico.

In dettaglio il rivestimento dello Space Shuttle Discovery (STS114) composto da 30.000 piastrelle ceramiche di vario tipo. Immagine a piena risoluzione

Questa soluzione presenta però numerosi svantaggi: questi materiali sono essenzialmente fragili (anche se non si esclude che nel prossimo futuro siano disponibili materiali più resistenti) e possono presentare dei problemi per missioni con equipaggio verso altri pianeti, perché significa lanciare vascelli di una certa grandezza dotati di uno scudo termico (pesante) adeguato capace di frenare la navicella da velocità superiori a quelle normalmente vissute per il rientro atmosferico terrestre, (quindi non parliamo di piccole sonde o rover dotati di scudi pesanti) soprattutto considerando missioni verso i pianeti gassosi la cui la velocità d’ingresso atmosferico è di gran lunga superiore a quella in genere sperimentata fino ad adesso per il rientro atmosferico terrestre dall’orbita bassa (circa 7,5 km/s) o dalla Luna (circa 10,0 km/s).

ΔV in funzione del tempo di volo

Un altro approccio, a cui stanno lavorando gli scienziati della MSNW è quello di creare una sfera di plasma immettendo un plasma freddo nel campo magnetico di un magnete, che attraverso il fenomeno dello scambio di carica (charge exchange) cede ai gas neutri dell’atmosfera la sua carica, neutralizzandosi e rendendo plasma il gas precedentemente neutro.

Ciò permette di smaltire il momento relativo (ΔP) del gas nei confronti della navicella attraverso l’interazione magnetica fra il gas ora magnetizzato ed il magnete (che come abbiamo visto qui è uguale al momento relativo della navicella rispetto all’atmosfera). Quindi non si tratta di uno “scudo di plasma”, come potremmo essere portati a pensare. Ciò fa sì che non ci sia calore per attrito da smaltire.

Attualmente sono in sviluppo modelli in scala per missioni verso Marte e Nettuno. A seguito di vari test in camere a vuoto in cui sono state ricreate le condizioni in cui dovrebbe operare questa tecnologia è in programma di lanciare un microsatellite (MAC CubeSat) per testare la tecnologia direttamente nello spazio, creando un guscio di 5 metri di diametro.

MAC CubeSat Fonte

L’uso di questa tecnologia comporta alcuni vantaggi:

1) è possibile controllare e cambiare in tempo reale l’intensità dell’attrito atmosferico, variando la dimensione della nube di plasma, che può arrivare a 50 metri di raggio usando non più di 1 grammo di plasma.
2) Questo sistema (chiaramente elettrico) non richiede grosse potenze per essere alimentato.
3) Fornisce una forza d’attrito maggiore rispetto ad una manovra di aerofreno tradizionale. Ciò permette di ridurre notevolmente la velocità dell’astronave nell’alta atmosfera e procedere nella bassa atmosfera a velocità nettamente inferiori, ad esempio per atterrare rendendo non necessario l’uso di uno scudo termico tradizionale.
4) Diminuire la massa strutturale della navicella, che significa permettere all’astronave ΔV maggiori
5) Missioni verso i pianeti gassosi più esterni e le loro lune diventano ora possibili attraverso l’attuale tecnologia propulsiva.
6) E’ una tecnologia relativamente low-cost
7) Non c’è bisogno di smaltire il calore sviluppato dall’attrito.

e come svantaggio:

1) Alte pressioni dinamiche richiedono gusci di plasma più complessi e potenze maggiori rispetto a quelle previste per mantenerli attivi che per il momento non sono stati sviluppati, ciò relega (momentaneamente) l’uso di questa tecnologia con pressioni dinamiche basse.

Fonte: MSNWLLC, NASA

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