Sylvie Lombay (Los Angeles, California) - Voyage à Mars

Il viaggio su Marte (2)

di Vincenzo Rampolla

Il propulsore nucleare

Il maggiore problema nell’esplorazione spaziale non è soltanto la capacità di mantenere in vita un equipaggio, ma anche di farlo arrivare a destinazione e prepararlo a rientrare nei tempi previsti. Esigenza imperativa in una missione è quella energetica. Serve elettricità, per tutto: per illuminare, riscaldarsi, lavarsi e cucinare, per gli esperimenti scientifici, per produrre ossigeno e più di tutto per avere il carburante per il ritorno. L'elenco continua, non è questo il punto: bisogna disporre di una fonte di energia efficiente, sicura e duratura. Si può. Ci ha pensato la USNC-Tech (Ultra Safe Nuclear Technologies) di Seattle, con un rivoluzionario progetto di motore nucleare sottoposto alla NASA. Il prototipo NTPe (Nuclear Thermal Propulsion engine) potrebbe essere usato nei viaggi Terra-Marte, impiegando non più di 3 mesi. Sulla carta il prototipo è due volte più veloce, potente e efficiente dei classici motori a reazione chimica sviluppati da decenni dalle agenzie spaziali. Secondo USNC, i motori chimici sono giunti al loro limite progettuale teorico, con vettori sempre più imponenti da inviare in orbite sempre più lontane e complesse. Occorre ripensare la propulsione dei razzi con una visione proiettata nel futuro e il nucleare fa al caso. Serve un reattore nucleare leggero e sicuro, che operi in ambiente extra-terrestre e su un vettore con equipaggio. Dice l’ingegnere capo della USNC: Il nuovo motore è più affidabile di qualsiasi altro progetto NTP illustrato precedentemente. Diamogli credito.

Il combustibile utilizzato è basato su uranio a basso arricchimento ad alto dosaggio (HALEU), un derivato dal combustibile nucleare civile, ritrattato e arricchito del 5 - 20%, percentuale comunque inferiore a quella adottata nei reattori navali. Di questo tipo di combustibile si era già parlato all’annuncio NASA di installare generatori nucleari sulla Luna. Nel progetto del nuovo NTP il combustibile è incapsulato in micro-compartimenti di ceramica e rivestito di carburo di zinco, per renderlo assolutamente sicuro e non nocivo. Un viaggio di andata e ritorno in 6 mesi per Marte sembra fantascientifico. C’è ancora molto da lavorare prima di concretizzare il progetto, mentre si pensa addirittura di costruire un reattore nucleare direttamente su Marte, in vista delle prossime spedizioni di astronauti.

Non mancano scienziati con progetti alternativi. La stessa NASA nel suo National Laboratory di Los Alamos, sta testando Krusty (Kilopower Reactor Using Stirling Technology), reattore portatile a fissione nucleare, in grado di fornire una potenza tra 1-10 kw in modo continuativo per almeno 10 anni: 4-5 unità potrebbero rifornire in modo stabile un insediamento marziano o lunare. Un prototipo è stato testato a piena potenza per 28 ore consecutive a marzo 2020 nel Nevada National Security Site; il reattore ha continuato a fornire energia anche in condizioni anomale, come la brusca caduta di temperatura esterna e l'arresto totale del sistema di raffreddamento, simulazione dei possibili inconvenienti di un ambiente spaziale ostile, come quello marziano. Per il prototipo è stato utilizzato un nucleo di uranio arricchito 235. Con una serie di pompe trasferisce il calore prodotto dal nucleo a motori Stirling ad alta efficienza; attraverso un generatore elettrico i motori convertono il calore in moto rotatorio e quindi in energia. Rispetto ai generatori di radioisotopi basati sul decadimento del plutonio, usati dalla NASA su diverse sonde e con una potenza massima di 1 kw, Krusty ha una potenza maggiore e può essere attivato a missione iniziata, lontano da Terra, in linea con il protocollo di lancio.

Estrazione di ghiaccio combustibile in Cina

Come si è riusciti ad estrarre gas dal ghiaccio presente nelle profondità del mare? Secondo le leggi della fisica il ghiaccio non potrebbe esserci laggiù. Gli ingegneri cinesi per primi hanno estratto il metano dal cosiddetto ghiaccio combustibile, idrato di metano (clatrato): il gas è intrappolato in cristalli di ghiaccio e convertito poi in gas naturale. La cattura-conversione del processo avviene in un’unica operazione su una piattaforma galleggiante nella zona di Shenhu, Mar Cinese Meridionale, a circa 300 km a sud-est di Hong Kong. Con questa tecnica altamente rischiosa si sono ottenuti più di 10.000 m³ di gas al giorno. Gli idrati di metano sono distribuiti su grandi spazi e rendono difficoltosa l’estrazione; nel processo si aggiungono le possibili fuoriuscite di metano perché il clatrato non può essere estratto direttamente dall’acqua: salendo in superficie, la pressione dimunisce e si decompone. Come procedere allora in totale sicurezza?

La rivoluzione energetica del metano idrato

Lo sfruttamento commerciale dei clatrati, avviene in diverse parti del pianeta, in particolare su alcuni fondali oceanici, divenuti oggi le più grandi riserve di gas metano al mondo. Secondo gli studi di Giappone e Cina, nuove tecniche di estrazione sono state sperimentate nei loro mari e sono realtà. Il Giappone ha confermato che il 4 maggio è riuscito a portare in superficie il gas da una piattaforma di perforazione al largo della penisola di Shima. Poco tempo dopo la Cina ha annunciato di avere avuto esito positivo in un impianto operante nel Mar Cinese Meridionale. Il Ministro cinese delle Terre e delle Risorse Jiang Daming ha dichiarato che l’evento segna una svolta e dà inizio a una rivoluzione energetica globale. Per il Giappone il clatrato offre la possibilità di ridurre la pesante dipendenza dai combustibili fossili che deve quasi totalmente importare, mentre per la Cina potrebbe servire al carbone nelle centrali elettriche e nelle fabbriche di acciaio, fonti principali dell’inquinamento del Paese.

Secondo il Geological Survey Usa, il metano idrato fa gola a molti perché l’energia immagazzinata nei clatrati è almeno doppia di quella di tutte le altre fonti energetiche convenzionali. Si parla di riserve che vanno da [280 a 2.800] miliardi di miliardi di m³ di gas. Ciò significa che potrebbero soddisfare le esigenze attuali di gas per 80 - 800 anni. I giacimenti si trovano sui margini continentali dei mari fino ad una profondità di 2.000 m circa, soprattutto negli Oceani Pacifico e Atlantico, nel Nord Australia, Antartide e nel permafrost, il suolo perennemente gelato in profondità dei climi freddi delle regioni artiche (Siberia, Alaska e Canada). Anche Russia, Usa, Taiwan, Germania e altri Paesi sono alla ricerca della tecnologia più adatta per l’estrazione. Tokio ha la tecnica d’avanguardia; dopo il disastro di Fukushima, la Pianificazione Energetica ha imposto di accelerare il progetto metano idrato e i risultati sono arrivati con sorprendente rapidità. L’aspetto del clatrato si presenta come una struttura a forma di gabbia composta da molecole d’acqua, con vuoti di varie forme che contengono molecole di gas metano, etano, propano e isobutano trattenute insieme dalla bassa temperatura e dall’elevata pressione dei fondali marini.

Per l’80% il clatrato reperibile sul pianeta si è formato dalla materia organica accumulata sul fondo del mare, alteratasi sino a produrre metano per le forti pressioni esercitate dal peso. Una seconda ipotesi vuole che la materia organica dei sedimenti venga attaccata da batteri che la decompongono e danno vita a metano al 99,9%. Il gas che si produce, viene poi inglobato dall’acqua che, per le notevoli pressioni, assume la forma di rivestimenti di ghiaccio.

Pompando acqua di mare nel pozzo di perforazione i ricercatori giapponesi sono riusciti a infrangere la struttura del clatrato facendo sì che l’acqua restasse in mare e il metano arrivasse in superficie lungo il canale di perforazione. L’estrazione si è però resa difficile perché il clatrato rimane stabile fino a 450 m di profondità; variando di poco la temperatura e la pressione, la gabbia di acqua-metano si sfalda e fa emergere il gas che può pericolosamente esplodere. Da qui la ricerca per separare il gas dall’acqua quando ancora il clatrato si trova in profondità, dove è meno probabile che si abbia una dissociazione improvvisa. Il processo prevede l’immissione di acqua calda che scioglie il clatrato allo stato di ghiaccio oppure in alternativa la depressurizzazione adottata dai giapponesi o ancora iniettando sostanze (metanolo) che provocano una rapida dissoluzione dei gas liberandoli dall’acqua. L’estrazione di clatrati può produrre serie conseguenze sull’ambiente, perchè l’azione sui sedimenti marini non totalmente compattati causa un’instabilità al fondale che può causare frane e imponenti esplosioni. Emergono esempi rilevati in Norvegia da geologi che hanno datato eventi di frane, maremoti e tsunami avvenuti migliaia di anni fa. Giappone e Cina congiuntamente hanno dichiarato che sono necessarie ancora molte ricerche, 4-5 anni almeno, finché non avranno la certezza di non causare problemi ambientali. Fingiamo di crederci.

E ai pannelli solari… nessuno ci pensa?

Il 26 novembre 2018 su Marte si è posata la sonda InSight della NASA. Due pannelli solari gemelli di larghezza di 2.2 metri si sono aperti. Lo scatto di apertura ha raggiunto il pianeta Terra attraverso la sonda orbitante Mars Odyssey. La loro grandezza pannelli è dovuta alla luce solare su Marte più debole di quella sulla Terra, essendo il pianeta più lontano dal Sole.

I pannelli a malapena forniscono 600/700 watt al giorno, giusto per un rasoio. Nei giorni limpidi, quasi sempre coperti dalla polvere marziana, ne forniscono 200/300.

Il biomining

Il 10 novembre 2020, Rosa Santomartino, ricercatrice alla School of Physics and Astronomy dell’Università di Edimburgo ha annunciato su Nature Communications i risultati definitivi dell’esperimento di Luca Parmitano, astronauta sulla ISS (Int. Space Station) in rotazione a 408 km dalla Terra: dopo 24 giorni, su frammenti di basalto comuni su Marte, Luna e Terra, immersi in una soluzione batterica in condizione di microgravità simile all’ambiente di Marte, i microrganismi che si nutrono di rocce, versatili minatori biologici spaziali (biomining) hanno confermato la capacità di frantumare le rocce di un terreno da adibire a coltivazione o per estrarre minerali utili alla produzione di aria e acqua per la sopravvivenza nello spazio. Sulla Terra il biomining è usato per estrarre in modo economico rame e oro dalle rocce.

Quando si parte?

Nel 2024 E.Musk vuole inviare su Marte la sua astronave senza equipaggio per fondare le basi del primo avamposto umano permanente. Nello stesso anno con le missioni Artemis la NASA prevede di riportare l’uomo sulla Luna. La prima Starship su Marte entro il 2024! ha sbandierato giorni fa il profeta miliardario fondatore della società SpaceX alla Convention Internazionale della Mars Society. Penso che che ci sia la possibilità di farlo entro la seconda finestra di apertura su Marte, ha confermato in un incontro con Robert Zubrin, fondatore della Mars Society. La finestra è l’opportunità di lancio che si presenta ogni 26 mesi per le missioni marziane. Usa, Cina e Emirati Arabi hanno approfittato quest’estate dell’attuale finestra di trasferimento inviando lander, rover e orbiter su Marte. La prossima occasione sarà astronomicamente nel 2022. Obiettivo ambizioso. Non si tratta di spedire un piccolo rover o un lander, bensì una navicella di diversi metri e tonnellate. La missione verso Marte vedrà le prove della nuova Starship, sicuramente la combinazione dei due veicoli che la compongono, presso le rampe di Boca Chica, base di lancio nel Texas meridionale. Quando la Starship definitiva sarà operativa potrà trasportare fino a 20 t di carico in orbita di trasferimento geostazionaria e fino a 100 t in orbita bassa. Inoltre, SuperHeavy, il lanciatore usato per arrivare su Marte, è in fase di costruzione e i test avverranno nei prossimi mesi. L’intenzione di E.Musk è di porre le basi per una colonia permanente sul pianeta. Da tempo afferma che gli esseri umani hanno bisogno di stabilire una presenza duratura su Marte, autosufficiente per garantire la continuità delle coscienze, nel caso in cui il pianeta Terra diventasse inabitabile a causa di una guerra nucleare o per la caduta di un asteroide. Ciò non esclude che il principale obiettivo della SpaceX sia di trasportare merci da e verso Marte, facilitando lo sviluppo della base realizzata con il contributo di altre Istituzioni, Enti, Società o Governi, pubblici e privati.

Ci sto! Per il biglietto A/R di un milione di dollari, devo pensarci.

(consultazione: nasa; jpl; focus; everyeye; wikipedia; inaf; l.bignami; g.marciello - nuclear propulsory engine; intopic; south china morning post, geophysical research letter; meteoweb; nature communications)