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giovedì 30 giugno 2011

Un motore spaziale a fusione nucleare? Laser, Boro ed i progetti NASA


NEWS SPAZIO :- John J. Chapman è un fisico ed ingegnere elettronico del NASA Langley Research Center (Virginia). In questi giorni ha presentato a Chicago, allo IEEE Symposium on Fusion Engineering, uno studio per la realizzazione di un nuovo motore spaziale alimentato a fusione nucleare.

E' un po' il sogno di tutta la comunità spaziale – e non solo – quello di superare i limiti dell'attuale propulsione chimica in termini di quantità di propellente necessario e di tempi/distanze raggiungibili. Ma la fusione nucleare non è ancora lontana?

Vediamo i dettagli di questo nuovo progetto.



Nel suo studio Chapman ipotizza di utilizzare il Boro come propellente, al posto dei più comunemente utilizzati deuterio e trizio. Rispetto a questi il Boro ha la caratteristica di essere un propellente aneutronico, con molti vantaggi rispetto alla fusione nucleare "convenzionale".

La fusione anetutronica genera molti meno neutroni durante la reazione (meno dell'1% rispetto alle particelle cariche di energia che sono il risultato della reazione). Per questa caratteristica essa è molto meglio gestibile. Le parole di Chapman: "I neutroni sono problematici, perché per prima cosa sono difficili da contenere. [Per aver a che fare con neutroni] hai bisogno di un muro di assorbimento che converta l'energia cinetica delle particelle in energia termica. In effetti tutto quello che hai è un'idea di motore termico con tutte le sue perdite e limitazioni".

Nello studio di Chapman invece il reattore a fusione aneutronico fa uso di un laser per avviare la reazione e di Boro-11.

Non è però una novità. Già qualche anno fa infatti alcuni scienziati Russi erano riusciti a produrre una reazione di fusione mediante laser e Boro. In laboratorio avevano creato una sfera di plasma ad una temperatura di un miliardo di gradi centigradi. La reazione di fusione risultante era molto pulita, virtualmente senza l'emissione di neutroni. Il problema era però che l'energia consumata dal laser era superiore a quella ottenuta dalla reazione stessa.

Il nuovo lavoro di Chapman è uno studio teorico, tuttavia egli sostiene che la reazione di fusione ipotizzata generi molta più energia di quanta ne sia necessaria al suo funzionamento, con un’efficienza molto alta.


Un propulsione spaziale a fusione nucleare aneuronica
Vediamo in grandi linee come funzionerebbe un razzo alimentato con un reattore a fusione aneutronico.

Un laser di quelli già disponibili in commercio dà il via alla reazione. Un raggio di energia nell'ordine di 2 x 10 exp 18 (10 elevato alla 18) watt per centimetro quadrato avente frequenza di impulso fino a 75 MHz e lunghezza d'onda tra 1 e 10 µm viene direzionato verso un target del diametro di 20 cm composto da 2 strati. Lo vedete nella figura in cima al post.

Il primo strato è una lamina di metallo conduttivo il cui spessore varia tra 5 e 10 µm. Essa risponde al campo elettrico di Tera-Volt per metro creato dall'impulso laser comportandosi, dice Chapman, come un "... acceleratore di protoni".

Il campo elettrico rilascia uno sciame di elettroni ad alta energia dalla lamina di metallo, lasciando dietro di sé una grandissima carica positiva. Ne risulta una massiccia forza repulsiva tra i protoni della lamina e tale forza causa di fatto l'esplosione del materiale metallico rimanente.

Questa esplosione accelera i protoni nella direzione del secondo strato, un film di Boro-11. Tali protoni portano con sé un'energia di circa 163 KeV (chilo-elettron-Volt, migliaia di elettronvolt) e colpendo i nuclei degli atomi di Boro formano nuclei eccitati di carbonio, i quali decadono immediatamente ciascuno in un nucleo di Elio-4 (una particella alpha) ed in un nucleo di Berillio. Quasi istantaneamente quest'ultimo decade, dividendosi in due particelle alpha.

Quindi per ogni coppia protone-Boro che reagisce, si ottengono tre particelle alpha, ognuna con un'energia cinetica di 2,9 MeV (mega-elettron-volt, milioni di elettronvolt).


Le forze elettromagnetiche spingono il target e le particelle alpha in direzioni opposte. Ecco quindi che quest'ultime uscendo dal veicolo spaziale attraverso l'ugello di uscita forniscono una spinta.


Efficienza
Secondo Chapman ogni impulso del laser dovrebbe generare circa 100.000 particelle alpha rendendo il tutto tremendamente efficiente. Secondo i suoi calcoli, ulteriori migliorie nei sistemi laser a impulso breve potrebbero rendere questa spinta ancora più efficiente, fino a più di 40 volte rispetto all'attuale propulsione a ioni.
Anche al 50% di efficienza, 40 grammi di Boro come propellente porterebbero ad un'energia di 1GJ (Giga-Joule, miliardi di joule).

La potenza specifica del Boro in questo processo di reazione dovrebbe essere così grande che una sola mole (11 grammi) potrebbe produrre circa 300 MW.
Se poi al posto del Boro si utilizzasse questa tecnica di fusione aneutronica con l'isotopo elio-3 la potenza producibile per singola mole potrebbe arrivare fino a 493 MW. Ma il Boro ha l’indubbio vantaggio di essere abbondante sulla Terra, mentre l'elio-3 è scarso.

Sempre secondo Chapman un altro grande vantaggio della propulsione spaziale a fusione è che parte dell'energia generata potrebbe essere convertita in elettricità per alimentare i sistemi di bordo del veicolo spaziale, anche qui con un alto rapporto di efficienza.


Quanto tempo ci vuole
Quello che abbiamo visto insieme in questo articolo è uno studio teorico. Molta strada è ancora da percorrere per arrivare ad un motore operativo.

Secondo Chapman ci potranno volere circa 10 anni prima di avere una nave spaziale alimentata con questa particolare reazione di fusione. "Ci vuole un lavoro di gruppo per arrivare ad avere qualcosa da mandare nello spazio".

Si tratta di una strada in gran parte da percorrere ma molto affascinante e promettente. Data la sua importanza la prima cosa che mi viene in mente è realizzare un mega accordo di collaborazione internazionale (un po' come quello che ha portato alla creazione della Stazione Spaziale Internazionale tanto per intenderci) per approfondire la strada della fusione nucleare aneutronica con laser e Boro. E penso anche che il suo campo di applicazione possa andare ben oltre la propulsione spaziale.

Immagini, credit NASA Langley Research Center.

Fonte dati, IEEE Spectrum.

31 commenti:

  1. Ottimo articolo e davvero molto interessante. L' unica informazione che magari andava aggiunta, per dare un' idea migliore dell' efficienza dei motori, e del miglioramento rispetto a quelli attualmente in uso, sarebbe stata: con "un pieno" e con questi motori innovativi, dove si potrebbe arrivare con la futura generazione di navicelle spaziali? Quanto si guadagnerebbe in termini di tempo per andare ad esempio su Marte? Se non sbaglio con le tecnologie attuali ci vorrebbero all' incirca 6 mesi.

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  2. Probabilmente se la spinta risultante portasse l'astronave ad una velocità compresa i 10 e i 100km/s,marte lo si raggiungerebbe in qualche settimana o anche solo due..

    E allora sarei in tempo per andarci anch'io..

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  3. Per l'esattezza..alla MINIMA distanza Terra-Marte (sotto i 90 milioni di chilometri) alla spinta di 100km/s basterebbero 11 giorni a farla grande..
    Vabbè comunque sempre una sciocchezza..

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  4. Grazie mille per la delucidazione Giorgio! Si in effetti con quei numeri sarebbe davvero una tecnologia super innovativa... speriamo bene!

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  5. Questo progetto è sicuramente molto interessante: l'importante è crederci e andare avanti! Sono però molto dubbioso sulla sua fattibilità in 10 anni. Siamo alla dismissione nello Shuttle e non si vede ancora bene cosa verrà dopo. Mah. Speriamo bene. Mi ricordo anche il Progetto 242 di Carlo Rubbia, un motore a fissione nucleare (sicura) che utilizzava l'Americio 242. L'ASI era andata avanti con gli studi di fattibilità e sembrava un buon progetto. Qualcuno ne sa qualcosa? Un difetto sicuro lo aveva: l'americio 242 è un isotopo artificiale rarissimo e molto costoso, ma Bignami affermò che si era trovato un metodo per produrne alcuni chilogrammi partendo dall'americio 241. Comunque si parlava di arrivare su Marte in 45 giorni.

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  6. se si riuscisse a costruire questo Motore sarebbe il primo passo per la colonizzazione/esplorazione del sistema solare da parte degli essere umani .Il Più grande problema per arrivare su Marte e il tempo, infatti in un viaggio di 6Mesi i problemi sono moltissimi ma se si riuscisse a ridurre il tempo a meno di un mese la maggior parte sarebbero risolti.

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  7. Massimo,lungi da me criticare gli studi di scienziati che ne sanno di più.
    Ma a NOI come Terrestri servono motori che vadano anche con l'ARIA..o l'ACQUA..
    Non di certo con elementi rari e di certo costosissimi!!!

    Già l'idea del Boro è sicuramente più abbordabile.

    Se si potesse usare l'idrogeno nei motori futuri e poterlo estrarre dagli strati alti dei giganti gassosi con sonde sarebbe IL passo avanti che ci serve..

    Abbiam bisogno di cose FATTIBILI e soprattutto abbondanti in natura..

    tanto varrebbe usare l'oro allora:)..non so se mi spiego.

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  8. certo che in linea teorica il discorso fila.Ma la vedo davvero dura realizzare qualcosa del genere in 10 anni.Tale risultato potrà essere raggiunto solo se verranno messi a disposizione fondi e know-how internazionali...e non è certo cosa da poco.
    Astorre-Giorgio ha ragione riguardo i propellenti da utilizzare,ma francamente sono un pò scettico sull'idea che riusciremo a creare motori ad aria...Forse il nucleare,nel prossimo cinquantennio,sarà ancora l'unica strada percorribile...non credete?

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  9. l'Aria era una provocazione.

    Tanto varebbe usare l'ITTRIO allora..sta sul fondo del mare,in abbondanza..solo costerebbe peggio del Titanio o del Platino.

    Per andarsene nello spazio in tanti e con tanto materiale abbiam bisogno di carburanti FATTIBILI e PRESENTI in abbondanza..viceversa sarà persa in partenza.

    Di certo non a petrolio(..eheh un motore Diesel ad alto rendimento..che ridere)

    Comunque che si diano da fare..e non solo gli americani..ma sti sfaccendati europei.

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  10. la butto li in modo uiltra semplicistico...ma non si potrebbero "riciclare" le scorie radioattive?

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  11. Ipotizzando un viaggio su marte a quelle velocità ci sarebbe da porsi la domanda "a questa velocità, ma come la rallentiamo la cappsula/navicella in prossimità dell'arrivo?"

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    1. Allo stesso modo come acceleri: giri la navicella e dai energia, rallentando la velocità.

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  12. La propulsione per le navi spaziali?

    Vedete l'MHD di Jean Pierre Petit .. è la migliore.

    Cercate su internet...


    L'unico problema è l'energia necessaria: a tal fine ci verrebbe in soccorso l'enrgia del punto zero, ipotizzata da Tesla, che la comunità scientifica ufficiale ne nega l'esistenza.(free energy)

    La propulsione nucleare per i missili.. roba vecchia degli anni '50 altro che novità.

    Ciao

    RispondiElimina
  13. La propulsione per le navi spaziali?

    Vedete l'MHD di Jean Pierre Petit .. è la migliore.

    Cercate su internet...


    L'unico problema è l'energia necessaria: a tal fine ci verrebbe in soccorso l'enrgia del punto zero, ipotizzata da Tesla, che la comunità scientifica ufficiale ne nega l'esistenza.(free energy)

    La propulsione nucleare per i missili.. roba vecchia degli anni '50 altro che novità.

    Ciao

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    1. Wikipedia non è che poi ne parli proprio bene di Petit

      http://it.wikipedia.org/wiki/Jean-Pierre_Petit

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  14. spero che in un prossimo futuro si possa fare un motore a fusione nucleare(I.T.E.R.)in piccolo.
    Non dimentichiamoci però dell'accelerazione,l'uomo non può sopportare più di un G per molto tempo.
    --elio

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  15. aumentando l'accelerazione di un g alla volta ipoteticamente un astronauta potrebbe raggiungere la velocità della luce e non subire danno

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    1. Questo commento è stato eliminato dall'autore.

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    2. L'accelerazione inerziale è sempre sentita dall'astronauta all'interno dell'astronave e se questa fosse costante a un g bisognerebbe considerare, ad un certo punto, gli effetti relativistici sulla massa.
      Infatti la cosiddetta "massa relativistica" aumenta con la velocità e raggiungere quella della luce vorrebbe dire raggiungere una massa infinità! Ovviamente questa condizione non è realizzabile...

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  16. In realtà tutte tecnologie teoriche e serviranno almeno altri 100 anni per arrivare ad avere un sistema di propulsione efficiente e a basso costo che ci possa permettere di arrivare su (es marte) un pianeta in meno di 1 mese..per adesso sono solo interessanti studi.
    Inoltre c'è da considerare, senza star qui a fare l'elenco, che per fare una seria e sicura attività spaziale bisogna risolvere almeno altri 15 fattori che non sono da meno come difficoltà ai sistemi propulsivi.

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  17. In realta' non c'è la volontà politica di fare qualcosa,
    altrimenti la NASA, senza andare lontano, avrebbe
    semplicemente ripreso i collaudi sul motore
    NERVA X, sperimentaro nella "famigerata" area 51

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  18. Consiglierei al Sig. John J. Chapman di costruire
    un bel niente. Il governo degli Stati Uniti d'America
    è abilissimo nell'adottare il metodo: Impara l'arte
    e mettilo da parte!, come successo con Von Braun
    e Oppenheimer

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    Risposte
    1. Come fu fatto a Von Braun e Oppenheimer. (E' piu' corretto)

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    2. Piu' che metodo, sarebbe meglio
      dire: "Allegro sistema"

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    3. Werner Von Braun: omaggio al grande
      scienzato tedesco ingiustamente messo
      da parte e dimenticato perchè considerato "nazista".
      (come se tutti gli scienzati che hanno collaborato al progetto manattan sull'atomica fossero degli
      agnellini)

      Elimina
  19. Ovvero, come successo in tutte le eta' e in tutti
    i sistemi politici (vedasi come fu trattato in Spagna
    Colombo dopo la conquista dell'America), lo sfruttamento dei grandi geni

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