Il Tredicesimo Cavaliere

Scienze dello Spazio e altre storie

In orbita spinti dal laser: storia di un esperimento

La realizzazione di un sistema per lanciare un’astronave a vela solare su una rotta interstellare tramite l’uso del laser incontra parecchio scetticismo, e la grande mole di lavoro tecnico richiesto per la sua costruzione non è l’ultima delle obiezioni che vi si oppone. Ma teorici come Robert Forward, che ha dato vita all’idea della vela solare a propulsione laser, non avevano mai pensato che un tale sistema sarebbe stato creato da zero. Potremmo chiedere allora, nel campo della propulsione al laser, quali idee sono in corso di sperimentazione al momento attuale, e quali potrebbero trovare uno sviluppo nell’ambito di progetti più avanzati?

 Dentro a Lightcraft

 Il progetto Lightcraft è uno di quelli che raccoglie più attenzione. Molto lavoro è stato fatto in proposito presso l’Air Force Research Laboratory (AFRL), basandosi su precedenti lavori svoltisi presso l’AFRL Propulsion Directorate, Edwards Air Force Base. Questi primi progetti hanno come obiettivo non certo le stelle, bensì una meta molto più accessibile: l’orbita bassa circumterrestre. Un laser basato a terra trasmette energia alla nave spaziale che la raccoglie e la usa per alimentare il proprio sistema di propulsione. La bellezza di questa soluzione è che l’aria all’interno del veicolo diventa il fluido di lavoro, permettendo al progettista di lasciare la fonte d’energia a terra.

Parecchie versioni di Lightcraft erano state prese in considerazione, come Eric Davis (IASA) e Franklin Mead (Propulsion Directorate, AFRL. Ritiratosi in pensione, ha continuato la ricerca in proprio con la Mead Science and Technology) chiariscono in un recente documento. In quello appena menzionato, ciò che accade a bordo di Lightcraft è veramente interessante. La parte inferiore del veicolo è uno specchio accuratamente lucidato. La nave stessa è simile ad una grossa ghianda. Il veicolo viene alimentato dall’installazione a terra con impulsi dell’ordine del kilojoule, al ritmo di 25 impulsi per secondo. Il sistema trasforma ora l’aria all’interno del veicolo in qualcosa di più utile, come spiega il documento:

 L’impulso del raggio laser interagisce con lo specchio, concentrandosi in una area di forma anulare all’interno della circonferenza del veicolo. L’intensità dell’impulso laser da 18 microsecondi è sufficientemente alta da provocare l’innesco dell’arco nell’area anulare, e far accendere per un attimo l’aria al suo interno in una nuvola di plasma molto luminoso (10-30.000 gradi), producendo un’onda d’urto da plasma surriscaldato (con l’istantaneo balzo di pressione di decine di atmosfere), che infine genera una spinta nella direzione del raggio laser. Il bordo della circonferenza dell’apparecchio, simile a un ugello a tronco di cono, dirige l’espansione del plasma, creando un aumento della spinta verso il basso. Impulsi laser multipli e il ricambio atmosferico dell’aria ionizzata danno origine al volo.

 Volare sopra un raggio di luce

 Un Lightcraft vola quindi su un raggio di luce laser, trasformandone l’energia in spinta. In progetti precedenti il problema era stato preso in considerazione da punti di vista diversi, incluso uno in cui si usava uno scambiatore di calore a bordo del razzo, in modo che l’energia del raggio avrebbe acceso un fluido caricato all’interno, per esempio idrogeno o ammoniaca, che, scaricato attraverso un ugello, avrebbe prodotto spinta, proprio come un razzo chimico. Un’altra possibilità sarebbe quella di imbarcare del propellente solido.

Ma i più recenti prototipi di Lightcraft funzionano in doppia modalità: trasformando l’aria in plasma come descritto precedentemente, e poi, raggiunti i 30 km di altitudine, assumendo la modalità di razzo laser-termico. Ciò significa avere a bordo una piccola quantità di carburante, ma niente a che vedere con i razzi attuali, né per quantità, né per costi. Stiamo parlando di un sistema di lancio su orbita bassa, a singolo stadio e a rotazione stabilizzata. Nella modalità ad aria, il motore pulsa a ritmo variabile per raggiungere quella che gli autori chiamano una spinta quasi-stabile, che dipende dal numero di Mach e dall’altitudine raggiunta dal veicolo nella sua traiettoria.

 Date un’occhiata al diagramma che mostra come il sistema dovrebbe funzionare. Lightcraft entra in modalità razzo laser-termico non appena supera l’atmosfera, e usa il solo carburante indispensabile. Il risultato ottenuto è questo: il sistema Lightcraft immaginato da Davis e Mead è in grado di far librare un veicolo a mezz’aria e fornire la potenza necessaria alla discesa e all’atterraggio.

 Facciamo i conti

 Quali sono i costi? L’installazione del laser basato a terra, come dice lo studio dell’AFRL, rappresenta la maggior voce di spesa per questo sistema di trasporto, dato che comprende circa l’ottanta percento del costo totale del ciclo di vita di un sistema Lightcraft. Dagli studi emergono costi di lancio così bassi da non arrivare ai 75 dollari per volo e, usando un laser da 10 MW al N2/CO2/H2, con costi stimati per il carico utile assai sorprendenti:

. un costo totale finale pari a 2.793 dollari per lanciare in orbita bassa un carico utile di 5,25 chili, cioè $532/kg, una cifra inferiore di ben 41 volte a quella attualmente richiesta dall’industria dei lanciatori per i suoi missili convenzionali a propulsione chimica.

 Il lavoro teorico e sperimentale già svolto dall’AFRL Propulsion Directorate ha dimostrato la praticabilità del concetto di Lightcraft. In un successivo articolo esamineremo altri vantaggi di Lightcraft, discuteremo del retroterra scientifico dell’idea con Leik Myrabo, un ingegnere aerospaziale che si è dedicato per trent’anni a questi problemi, e faremo il punto su dove siamo arrivati oggi.

Titolo originale:Lightcraft: A Laser Push to Orbit” scritto da Paul Gilster e pubblicato in Centauri Dreams il 14 settembre 2009. Traduzione italiana di Roberto Flaibani, editing di Beatrice Parisi. Questo articolo segna la nostra partecipazione al Carnevale della Fisica #18, e prosegue una fase di collaborazione con Centauri Dreams, che ci auguriamo lunga e fruttuosa.

Fonte: Davis and Mead, “Review of Laser Lightcraft Propulsion System,” CP997, Beamed Energy Propulsion, Fifth International Symposium (AIP, 2008), pp. 283-294.

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29 aprile 2011 - Posted by | Astronautica, Carnevale della Fisica, Scienze dello Spazio | , ,

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