Motori spaziali

Mandare sonde nello spazio sembra a prima vista una cosa semplice. Si costruisce un bel razzo potente, lo si spara verso l’alto e poi chi s’è visto s’è visto, tutti in sala di controllo a ricevere i dati del satellite. Magari.

Il buon vecchio Space Shuttle della NASA.
Questo post non vuole essere un trattato di ingegneria (ci mancherebbe altro!); piuttosto vuole solo fornirvi alcuni spunti interessanti per capire qualche dettaglio in più sul lancio di sonde e satelliti nello spazio (così la prossima volta che ne parleranno in televisione sarete preparati!). La verità è che una missione richiede anni per essere preparata. Infatti mandare una sonda su un certo pianeta, cometa o asteroide richiede una preparazione certosina. Bisogna che gli ingegneri e gli scienziati facciano bene i conti per fare sì che la sonda acquisisca la giusta traiettoria e velocità.


Cominciamo da una cosa che avete già letto in passato su Quantizzando: la fionda gravitazionale. In sostanza una sonda viene inviata, inizialmente, lontana dall’obiettivo della missione, con lo scopo di fare prendere la giusta velocità sfruttando degli incontri ravvicinati “gravitazionali” con gli altri pianeti. Praticamente, la sonda si fa spingere dagli altri pianeti per arrivare lontano fino ai confini del Sistema Solare.
Ovviamente tutto ciò è fantastico: se ci pensate, siamo in grado di sfruttare così bene la gravità da usare gli altri pianeti come fionde. Davvero, tutto questo è bellissimo.
Tuttavia gli altri pianeti non stanno fermi e comunque quando la sonda viene lanciata dalla Terra, non è che possa andare ovunque. Perciò bisogna lanciarla nel momento giusto, ovvero quando gli altri pianeti sono al posto giusto in quel momento giusto, in maniera tale da massimizzare al meglio il ritorno in termini di fionda gravitazionale che essi forniranno. Questo altro non vuol dire che ci sono finestre temporali migliori di altre per lanciare una sonda. E, se per qualche motivo ci sono dei ritardi nella preparazione della sonda, tutta la missione rischia di saltare, anche per via dei costi non più sostenibili in caso di anni di ritardo.

Inoltre, tutto ciò, ovvero il tour di fionde gravitazionali prima che la sonda finalmente si diriga verso l’obiettivo della missione (per esempio un pianeta nano come Plutone…), può richiedere diversi anni.

Insomma, sarebbe bellissimo evitare il giro di fionde gravitazionali, ma come fare?
Per capirlo, dobbiamo fare un passo indietro e vedere come vengono lanciate le sonde. Nell’immaginario collettivo si ha questo quadro di un razzo, contenente la sonda, che viene lanciato nello spazio insieme a tonnellate di propellente che, bruciato, permette di ottenere la spinta necessaria a vincere la gravità terrestre e quindi una adeguata velocità.

Infatti, esiste un concetto chiamato velocità di fuga che si può riassumere in parole semplici come segue. Lanciate una pallina in aria con una certa velocità, possono accadere tre cose: uno, la velocità con cui la lanciate è troppo bassa e la pallina cadrà di nuovo nelle vostre mani (quello che accade sempre insomma!); due, la velocità è troppo alta e la pallina sale in alto, esce dall’atmosfera e sfreccia nello spazio con una velocità sempre diversa da zero; tre, lanciate la vostra pallina con una velocità tale (proprio il valore della velocità di fuga) che è necessaria per sfuggire alla gravità terrestre e arrivare pian piano a fermarsi lontanissimo dal nostro pianeta. Ovviamente nei casi due e tre avrete bisogno di molti anni di palestra per avere muscoli adatti a lanciare la pallina così forte. Oppure dovrete avere un razzo bello potente, come vedremo (spoiler!).
Per la cronaca, per la Terra, se volete sfuggire alla gravità del nostro pianeta, il valore della velocità di fuga è di circa 11 km/s.

Ora, cosa si può fare concretamente per giungere all’obiettivo di sfuggire alla gravità terrestre? Si può usare un razzo pieno di carburante che fornisce una spinta molto alta fin quando il carburante finisce ovviamente; e, normalmente, nel caso di razzi con propellente come idrogeno o ossigeno o vari composti liquidi, questa spinta si esaurisce in tempi molto brevi dopodiché la sonda viaggia per inerzia nello spazio e sfruttando appunto i giochini di fionda gravitazionale come ulteriore spinta, nel caso si debba arrivare davvero lontano.

Prima di andare avanti dobbiamo spiegare una cosa: perché i razzi forniscono una spinta?
Perché quando viene bruciato del carburante, il razzo stesso cambia la sua massa nel tempo, cioè del gas viene espulso fuori.
Ora immaginiamo il seguente esempio: siete sopra uno skateboard e avete una pallina in mano. Ad un certo punto lanciate la vostra pallina in una certa direzione e voi vi muovete nell’altra. Ecco, questo accade nel caso del razzo ogni volta che una parte di carburante viene espulso: si crea una spinta.
Tutto ciò è qualcosa che abbiamo già discusso su Quantizzando, in quest’altro post (roba di azioni e reazioni e c’entrava il buon Sir Isaac Newton, ricordate?).

Comunque, per esempio, la sonda della NASA New Horizons che, intorno a metà luglio, si affaccerà dalle parti di Plutone, non avrà la possibilità di frenare poiché sprovvista di ulteriori motori e propellente e quindi dovremo accontentarci solo di un incontro ravvicinato piuttosto che di un’entrata in orbita.

Come risolvere questo tipo di problema? Ovviamente ci hanno già pensato ed è stata già messa in pratica la soluzione. Bisogna semplicemente fornire la sonda di un motore. Eh già, questo si era capito. Ma se tutto il propellente viene utilizzato per fornire la spinta iniziale, come si alimenta il motore della sonda in un secondo momento? Esatto, ottima domanda. Proprio questo è il punto.

Ci vuole un diverso tipo di motore. Ed ecco che un’ottima idea sarebbe quella di usare il motore a propulsione ionica.
Una volta capito il meccanismo della spinta che abbiamo descritto prima, avrete già compreso che a parte questo necessario fondamentale, poi la “scatola” del motore può anche essere fatta diversamente da un brucia-carburante.

La NASA ci spiega come funziona un motore a ioni: grazie NASA!

Infatti, come potete vedere dall’immagine qui sopra, abbiamo che in questo caso nel serbatoio abbiamo degli atomi (di Xenon in questo caso, per le loro proprietà come vedremo tra poco) e degli elettroni generati da un elettrodo (un conduttore di metallo praticamente). Questi elettroni colpiscono gli atomi di Xenon che, a causa di queste collisioni diventano ioni, cioè perdono un elettrone e acquistano carica positiva, ovvero non sono più neutri (lo Xenon perde facilmente l’elettrone, è fatto così, perciò viene usato proprio questo gas).
Due piastre con una differenza di potenziale elettrico fanno il resto: infatti avere un potenziale vuol dire avere un campo elettrico e avere un campo vuol dire accelerare le cariche. Gli ioni di Xenon vengono espulsi e, proprio come il propellente, producono la spinta.

Le differenze con il motore che brucia carburante sono due: primo, la spinta è minore; secondo, però la spinta può esserci per un tempo maggiore e, alla fine, avanza pure la quantità di Xenon nel serbatoio. Quindi, una volta che la sonda si sarà immersa nelle profondità del Sistema Solare, grazie alla quantità residua di Xenon, potrà accendere il suo motore a propulsione ionica e fare quei piccoli aggiustamenti alla sua traiettoria magari necessari per mettersi in orbita attorno ad un oggetto del Sistema Solare. Questo è, per esempio, cos’è accaduto con la missione Dawn della NASA che ha visitato l’asteroide Vesta e sta visitando il pianeta nano Cerere.

Quindi, ripeto, niente trattato di ingegneria. I motori a ioni possono essere più complicati di così e c’è gente che ci sta lavorando sopra.
E poi, alla fine, certamente: tutti in sala controllo per festeggiare la riuscita della missione e analizzarne i risultati scientifici. Per cercare di scoprire e magari capire un altro pezzettino ancora di universo intorno a noi.

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