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.
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ma speriamo che vada in porto
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Immagini, credit NASA Langley Research Center.
Fonte dati, IEEE Spectrum.