Come funziona un propellente per lanci spaziali?

Il lancio di un razzo o di un missile avviene sprigionando enormi quantità di gas, attraverso reazioni chimiche di combustione generate dai propellenti. Che tipo di sostanze vengono utilizzate come propellenti?

white smoke of a space craft
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Il lancio di un velivolo nello spazio è sempre un momento emozionante e allo stesso tempo particolarmente complesso dal punto di vista tecnologico. I velivoli spaziali si staccano da terra grazie a motori a razzo (più correttamente endoreattori) che sfruttano la combustione di propellenti e la loro espulsione attraverso un ugello gasdinamico; per il principio di azione e reazione (terzo principio della dinamica di Newton) ne consegue una spinta nel verso opposto a quello della fuoriuscita del gas, che permette il decollo.

È facile immaginare che il propellente debba sviluppare una quantità di energia enorme per permettere di vincere la gravità e lanciare un oggetto nello spazio e di conseguenza si tratta di un materiale (o una miscela) che deve rispondere ad una serie di prerogative ben determinate per poter essere utilizzato in modo efficace. La ricerca in questo campo (spinta soprattutto dalla richiesta di razzi sempre più precisi in ambito militare) ha fatto dei notevoli passi avanti sia dal punto di vista dell’efficienza che da quello della sicurezza e sostenibilità dei propellenti. Attualmente tutte le navicelle spaziali utilizzano motori a reazione chimica per il lancio, questi si distinguono in bipropellenti e propellenti solidi.

Bipropellenti e Propellenti Solidi

low angle photography of rocket
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I bipropellenti sono un tipo di propellente formato da un ossidante e un combustibile, solitamente in fase liquida, tenuti separati fino all’ingresso in camera di combustione. Il comburente solitamente è ossigeno liquido, mentre il combustibile può essere Kerosene speciale (RP-1) come quello usato dai razzi FALCON 9 di SPACE X o dal primo stadio del SATURN V usato per le missioni spaziali del programma Apollo. Il secondo e il terzo stadio del SATURN V invece usavano idrogeno come combustibile, anche in questo caso quindi un bipropellente. 

Il propellente solido è un materiale energetico in grado di autosostenere la combustione in quanto contiene all’interno di sé sia combustibile che comburente. In un trattato militare cinese del XIV secolo viene illustrato e descritto il primo propellente solido usato per il lancio di razzi, che servirono a difendere la città di Kaifeng dall’attacco dei mongoli. Oggi i propellenti solidi più comuni sono dei materiali compositi, come quello usato dal Solid Rocket Booster, in sigla SRB, il razzo che forniva l’83% della spinta allo Space Shuttle durante la fase di decollo. La sua formulazione contiene alluminio (Al) in polvere come combustibile, ammonio perclorato (AP) NH4ClO4 come comburente (ossidante) e poliuretani come binder o più semplicemente plastificanti. Gli SRBs sono i razzi più potenti che siano mai stati lanciati. Propellenti simili vengono utilizzati per i lanci dei razzi ARIANE V. 

L’AP però, in seguito alla combustione, origina acido cloridrico (HCl). Ad ogni lancio di un Ariane V vengono rilasciate 270 tonnellate di HCl nell’atmosfera! Diverse sostanze alternative vengono usate come comburenti in ambito militare (ciclotetrametilentetranitroammina HMX e ciclotrimetilentrinitroammina RDX sono i più comuni) ma il loro prezzo elevato e il fatto che siano particolarmente pericolosi da trasportare non li rendono attraenti nel campo dei lanci spaziali. Negli anni 70’ in URSS venne sviluppato l’ADN (Ammonio dinitrammide) come ossidante smoke-free, questa sostanza dà un impulso maggiore dell’AP, ma anche in questo caso, essendo troppo sensibile a urti e temperatura rischia di causare esplosioni non controllate. 

Oltre alla ricerca di metodi per poter usare l’ADN in sicurezza e la sintesi di ossidanti smoke-free alternativi, di recente sono stati proposti i propellenti liquidi gelificati, in modo tale da avere un propellente con una bassa tensione di vapore e ridurre il rischio di accensione accidentale. Il propellente gelificato si comporta come un propellente solido in deposito e come un propellente liquido in uso.

Un propellente solido è utilizzato negli airbag, in questo caso la reazione di ossidoriduzione genera un gas ma non genera una grande quantità di calore e quindi può essere controllata meglio. In passato il propellente era costituito da azoturo di sodio NaN3.

red and yellow hatchback axa crash tests
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Propellenti per il Reaction Control System

Fino ad ora ci siamo soffermati sul lancio, ma una navicella spaziale o una sonda hanno bisogno di compiere manovre addizionali una volta immesse in orbita o lanciate nello spazio, come ad esempio gli agganci fra navicelle o piccole variazioni di assetto.  Per questo tipo di manovre esistono motori appositi che costituiscono il Reaction Control System (RCS) i quali in generale sfruttano monopropellenti o la propulsione elettrica, generando una spinta di diversi ordini di grandezza inferiore rispetto ai propulsori chimici precedentemente descritti.

I monopropellenti sono delle sostanze che generano un gas decomponendosi, il più utilizzato in campo spaziale è l’idrazina (N2H4), la cui decomposizione è catalizzata dall’Iridio. In ambito militare i missili tedeschi V-2 ed americani Redstone, usati durante la seconda guerra mondiale, utilizzavano perossido d’idrogeno (H2O2 acqua ossigenata) la cui decomposizione è catalizzata dal platino o dall’ossido di manganese.

Per quanto riguarda i propulsori elettrici tipicamente usano molto meno propellente dei razzi chimici perché hanno una velocità di scarico più alta. A causa della limitata potenza elettrica la spinta è molto più debole rispetto ai razzi chimici e non possono essere utilizzati per il lancio di carichi notevoli, tuttavia la Russia ha adottato propulsori elettrici sui propri satelliti per decenni. La propulsione elettrica ha però il vantaggio di poter fornire una piccola spinta per lungo tempo, raggiungendo velocità elevate per lunghi periodi e quindi funzionando potenzialmente meglio dei razzi chimici per missioni future nello spazio interstellare. 

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