NASA SR-1 Freedom: Costruire il Primo Veicolo Spaziale Nucleare

Muovere un oggetto nello spazio richiede molta energia, anche dopo che un veicolo spaziale ha lasciato il pozzo gravitazionale di un pianeta. Questo è in parte dovuto al fatto che la distanza tra gli oggetti celesti è così enorme.

Ad esempio, se la distanza dalla Luna alla Terra fosse solo 0,25 metri, la distanza tra Marte e la Terra sarebbe di 500 metri, e quella verso Nettuno di 30.000 metri.

Quindi, più è pesante il veicolo spaziale, più energia è necessaria per spostare quella massa a una velocità sufficiente a coprire questa enorme distanza. E poi la stessa energia è richiesta nuovamente per la decelerazione.

Un’altra limitazione dell’esplorazione dello spazio profondo e del volo interplanetario è che, per generare propulsione, è necessario espellere una certa massa. Ma più carburante si utilizza, più peso morto si aggiunge, il che richiede ulteriore energia per la propulsione. Pertanto, per una forte accelerazione, il carburante espulso deve essere spinto via a velocità molto elevate, creando un impulso maggiore, e la fonte di energia deve essere il più densa possibile.

Per tutti questi motivi, l’idea di utilizzare l’energia nucleare per i viaggi spaziali è vecchia quanto l’inizio della generazione di energia nucleare, poiché l’uranio è uno dei “carburanti” più densi immaginabili, con un chilogrammo di uranio in grado di generare potenzialmente fino a 23 milioni di kWh, rispetto a 13 kWh per 1 kg di petrolio e 7 kWh per 1 kg di carbone.

Fonte: Visual Capitalist

Tuttavia, nessuno dei progetti immaginati per la propulsione dei viaggi spaziali è stato finora utilizzato. L’unico impiego relativamente comune dell’energia nucleare sono i generatori radiotermici, che sfruttano il decadimento passivo di elementi radioattivi con un’emivita relativamente breve per alimentare rover e sonde nello spazio profondo per anni o addirittura decenni.

Questo potrebbe cambiare molto presto, con un reattore spaziale chiamato SR-1 Freedom, dove SR sta per “Space Reactor”.

Questo sistema di propulsione nucleare elettrica potrebbe essere impiegato già nel 2028. Verrà utilizzato per consegnare su Marte il carico utile Skyfall, composto da tre elicotteri di classe Ingenuity. Sarà principalmente usato per dimostrare la tecnologia, ma nella dimensione prevista non sarà significativamente più veloce di una sonda tradizionale.

“Gli elicotteri Skyfall trasporteranno telecamere e radar a penetrazione del suolo per esplorare un futuro sito di atterraggio e comprendere le pendenze e i pericoli per i veicoli di dimensioni umane. Mapperanno inoltre e caratterizzeranno il ghiaccio d’acqua sotterraneo per scoprire dove si trovano i depositi di ghiaccio, insieme alle dimensioni, alla profondità e ad altre caratteristiche importanti.”
Steve Sinacore, responsabile del programma di potenza di superficie a fissione presso la NASA

Questo fa parte di una più ampia riorganizzazione dei programmi della NASA, che include la probabile cancellazione completa della stazione spaziale Lunar Gateway, la riorganizzazione della missione Artemis e una costruzione più ambiziosa per la futura base lunare, proprio dopo il lancio di successo di Artemis II, che per la prima volta in più di 50 anni porterà astronauti in orbita lunare.

I Numerosi Tipi di Propulsione Spaziale Nucleare

Propulsione Nucleare Elettrica

Il sistema di propulsione nucleare del SR-1 Freedom è nucleare elettrico, quindi utilizza prima un reattore nucleare per produrre elettricità, e questa energia viene poi impiegata per generare spinta tramite i motori del veicolo spaziale.

Per convertire l’elettricità in spinta, e quindi in movimento utile, il metodo più comunemente usato, e quello impiegato dal SR-1 Freedom, sono i propulsori ionici. Nel caso dei propulsori a effetto Hall del SR-1.

Questi propulsori ionizzano un gas con l’elettricità, essenzialmente “caricando” di energia il gas usato come carburante, solitamente xeno o kripton. Questi reattori hanno un’efficienza molto alta, tra il 45% e il 60%, e un alto impulso specifico, il che significa che è necessaria meno massa di carburante per lo stesso effetto propulsivo.

Tuttavia, i propulsori ionici sono relativamente deboli singolarmente, quindi sono più adatti per viaggi a lunga distanza, dove un’accelerazione lenta e costante può accumularsi fino a velocità elevate.

Finora, i propulsori ionici sono stati utilizzati, ma sono limitati dall’energia fornita dai pannelli solari della sonda. Con una fonte di energia nucleare, è possibile generare molta più spinta e accelerazione.

Finora, questa è la versione più matura della propulsione nucleare, poiché sia la generazione di energia nucleare sia i propulsori ionici sono tecnologie ben consolidate. Pertanto, è solo una questione di progettazione e ingegneria farle funzionare insieme, da qui la breve scadenza per il dispiegamento del SR-1.

Propulsione Nucleare Termica

I reattori nucleari generano energia convertendo la radioattività in calore e poi trasformando quel calore in elettricità.

Quindi questo metodo di propulsione elimina l’intermediario e utilizza direttamente il calore. L’idea è di usare l’energia nucleare per surriscaldare un carburante, solitamente idrogeno liquido, e spingere il gas caldo per generare movimento.

In teoria, questa idea potrebbe generare una capacità propulsiva enorme. In pratica, richiede molta energia nucleare simultaneamente e molto carburante, il che significa che è applicabile principalmente a veicoli spaziali massicci, molto più grandi delle consuete sonde interstellari o anche di un razzo superpesante come lo Starship.

Altri Sistemi di Propulsione Nucleare

La densità energetica dell’energia nucleare ha generato concetti potenziali ancora più audaci.

Ad esempio, il Project Orion, seriamente discusso negli anni ’50 e ’60, era al centro della Guerra Fredda. Immaginava una serie di esplosioni nucleari come principale mezzo di propulsione, con il veicolo spaziale protetto dalle radiazioni e dai danni da uno scudo massiccio, un concetto noto come propulsione a impulsi nucleari.

Altre idee, come i razzi a frammenti di fissione o i razzi a reattore a nucleo di gas, considerano l’espulsione del combustibile nucleare stesso come materiale propellente.

Tuttavia, queste idee sono più teoriche che pratiche nella maggior parte dei casi, in gran parte perché la scala delle astronavi necessaria è semplicemente fuori dalla portata nel prossimo futuro.

Perché la Propulsione Nucleare Non è Ancora Avvenuta?

Geopolitica

In parte, il motivo per cui la propulsione nucleare non si è mai realizzata è che semplicemente non era necessaria. Dopo i numerosi atterraggi sulla Luna, la corsa allo spazio tra l’URSS e gli USA si è raffreddata.

E con il crollo dell’URSS, l’ambizione di veicoli spaziali sempre più grandi o di future basi fuori dal mondo svanì per diversi decenni.

Per l’esplorazione lontano dal Sole, i generatori radiotermici erano sufficienti. Quindi la propulsione nucleare non è semplicemente necessaria per i voli con equipaggio, oltre la Stazione Spaziale Internazionale, e per l’invio di piccole sonde verso Marte o più in profondità nello spazio.

Tuttavia, l’ascesa della Cina come potenza spaziale molto seria ha ora innescato una nuova corsa allo spazio verso la Luna e Marte. Questo potrebbe spiegare la rinascita dei progetti americani di propulsione nucleare, poiché la propulsione nucleare sarà probabilmente necessaria per qualsiasi volo con equipaggio serio verso Marte o oltre.

Politica e Immagine del Nucleare

L’immagine dell’energia nucleare è stata anche danneggiata da incidenti come Chernobyl e Fukushima, portando all’idea che inviare un reattore nucleare nello spazio, di qualsiasi dimensione, sia impopolare. Senza un forte sostegno politico, questi programmi non hanno avuto lo slancio necessario per passare da prototipi e test a veicoli spaziali reali.

Inoltre, il Trattato sullo Spazio Esterno del 1967 e il Trattato di Prova Parziale del 1963 hanno annullato concetti di propulsione nucleare come il Project Orion.

Infine, lanciare materiale nello spazio è sempre un progetto rischioso, con i razzi a rischio di fallire ed esplodere durante il percorso verso l’orbita.

In tal caso, il materiale radioattivo potrebbe disperdersi su un’ampia area, e anche se la quantità reale è minima, il disastro associato al POR ha reso la NASA riluttante a correre il rischio senza una forte spinta da parte della leadership politica statunitense.

Problemi Tecnici

I reattori nucleari, specialmente tra gli anni 1950 e 1990, erano enormi apparecchiature. Questo tipo di reattore nucleare è piuttosto difficile, o addirittura impossibile, da utilizzare nello spazio, dove ogni grammo di massa conta. Il peso aggiuntivo della schermatura contro le radiazioni del reattore aggiunge ulteriore massa.

Ciò non è così vero nell’era dei SMR (Reattori Modulare Piccoli) e dei microreattori, ma queste tecnologie sono uno sviluppo relativamente nuovo.

L’indurimento dovuto ai neutroni che colpiscono i materiali circostanti può causare crepe o altri danni nei materiali aerospaziali. Anche questo doveva essere meglio compreso e mitigato.

I razzi nucleari termici sono anche vulnerabili alla corrosione da idrogeno, poiché l’idrogeno diventa estremamente aggressivo, consumando il reattore e i componenti di propulsione alle temperature previste di 2.200°C (4.000°F).

Progettazione del SR-1 Freedom

Un Reattore di Potenza e Molte Prime

Il SR-1 Freedom sarà basato su un reattore a fissione a ciclo Brayton chiuso da 20-40 kWe, un design che combina una fonte di calore nucleare con un sistema di conversione di potenza a turbina a gas in un circuito chiuso. Il calore di scarto viene poi evacuato nello spazio attraverso grandi radiatori in titanio.

Fonte: CNET

Il reattore sarà alimentato da uranio a basso arricchimento ad alta concentrazione (HALEU), utilizzando combustibile di diossido di uranio, più sicuro da maneggiare rispetto al combustibile di grado militare.

Per proteggere l’elettronica (e i futuri astronauti) dalle radiazioni del reattore, è avvolto in uno scudo di carburo di boro che dirige le radiazioni lontano dal veicolo spaziale.

Il SR-1 non è di certo il primo prototipo o concetto di propulsione nucleare, ma sarà il primo a lasciare il laboratorio e raggiungere lo spazio, costruito su decenni di esperienza e investimento nel settore.

“Per sei decenni, gli Stati Uniti hanno investito più di 20 miliardi di dollari in decine di programmi nucleari spaziali e hanno lanciato esattamente un reattore — SNAP-10A, nel 1965. Non ha mai lasciato l’orbita. Miliardi spesi, decenni persi. Il SR-1 rompe quel modello. Una finestra di lancio verso Marte a dicembre 2028 costringe decisioni che decenni di studio non hanno mai preso.”
Jared Isaacman – Amministratore della NASA

Riutilizzo dei Moduli Lunar Gateway

Un altro elemento che spiega come sia possibile il dispiegamento ultra-rapido del SR-1 è che la parte a propulsore ionico del veicolo spaziale è pronta.

Il sistema di propulsione utilizzato sarà il bus spaziale quasi completato, sviluppato da NASA, il Power and Propulsion Element (PPE), inizialmente sviluppato per il Lunar Gateway.

Poiché la stazione spaziale lunare sembra essere stata smantellata, i suoi elementi, per lo più costruiti dai partner della NASA in Europa, Giappone, Corea del Sud, Canada e altri, saranno riutilizzati in progetti come il SR-1, meglio allineati alle nuove ambizioni spaziali della NASA e degli USA.

“Ogni risorsa, ogni chilogrammo, tutte le risorse di esplorazione lunare che abbiamo saranno concentrate su una cosa, e cioè costruire la base lunare,”
Carlos Garcia-Galan – vice responsabile del Programma Gateway

PPE è dotato di quattro propulsori a effetto Hall da 6 kilowatt (kW) costruiti da Busek e tre propulsori a effetto Hall del Sistema di Propulsione Elettrica Avanzata da 12 kW sviluppati da NASA e Aerojet Rocketdyne, una filiale di L3Harris (LHX ).

Gli array solari ad alte prestazioni del PPE saranno mantenuti, nel caso in cui il reattore nucleare sperimentale necessiti di manutenzione o abbia un problema.

Oltre il SR-1

Verso Maggiori Energie Nucleari nello Spazio

L’obiettivo del SR-1 è fornire un test reale del design del reattore nucleare, sia per la propulsione sia per altri usi.

Quindi probabilmente sarà usato un giorno per un volo con equipaggio verso Marte, ma avrà anche applicazioni più immediate.

Ad esempio, i dati raccolti dal volo del SR-1 Freedom verso Marte saranno importanti per lo sviluppo del Lunar Reactor-1 (LR-1).

“Negli anni 2030, scaleremo e passeremo alla produzione” di ulteriori reattori. Parliamo di reattori da centinaia di kilowatt a classe megawatt per tutte le applicazioni nucleari. Missioni più potenti verso la Luna, missioni umane verso Marte, con partecipazione commerciale e produzione ripetibile.”
Steve Sinacore, responsabile del programma di potenza di superficie a fissione presso la NASA

Questo reattore a fissione sarà progettato per fornire energia continua a una base lunare durante i periodi senza luce solare, e utilizzerà anche un’unità di conversione di potenza a ciclo Brayton chiuso.

“Il programma di potenza di superficie a fissione è previsto per fornire qualcosa nella fase tre per una maggiore capacità, e forse più di un elemento, per la capacità che prevediamo di necessitare per la base lunare. Qualsiasi cosa possiamo fare per non dipendere necessariamente dall’energia solare e consentire alle risorse di ottenere riscaldamento e forse un po’ di energia sarà preziosa per la nostra capacità di progredire.”
Carlos Garcia-Galan – vice responsabile del Programma Gateway

Tuttavia, a lungo termine, l’eredità più importante del SR-1 sarà probabilmente la possibilità di un volo nucleare con equipaggio verso Marte, impiegando 4 mesi o anche meno, rispetto ai 9 mesi o più possibili con i razzi chimici.

Futuri Sistemi di Propulsione Nucleare

Inizialmente previsto per il 2027, DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), un motore a razzo termico, è stato cancellato nel 2025, poiché si è ritenuto che razzi come lo Starship di SpaceX fossero sufficienti per i viaggi orbitali e cis-lunari.

Tuttavia, questa tecnologia potrebbe potenzialmente dimezzare il tempo di viaggio verso Marte, simile all’eredità potenziale del SR-1.

A lungo termine, se la propulsione nucleare elettrica dovesse diventare normalizzata, anche altre forme di propulsione nucleare potrebbero diventare praticabili.

Un’altra possibilità è che sistemi di propulsione del tipo SR-1 vengano installati su una nave cargo, in grado di fare viaggi di andata e ritorno verso la Luna o Marte e accelerare altri veicoli spaziali, necessitando solo di rifornimenti occasionali di propellente gassoso o di carburante radioattivo. In questo modo, lo stesso sistema potrebbe fornire propulsione a decine di missioni nello spazio profondo.

In quel concetto, la propulsione nucleare elettrica o termica potrebbe ottenere per l’esplorazione dello spazio profondo ciò che SpaceX ha realizzato per i lanci orbitali: creare veicoli riutilizzabili e di lunga durata che riducono i costi e rendono i viaggi spaziali molto più efficienti, consentendo di spostare masse di carico molto più grandi.

Investire nel SR-12 Freedom

L3Harris

L3Harris è un importante fornitore aerospaziale e azienda di difesa, risultato della fusione di L3 Technologies e Harris Corporation nel 2019.

L’azienda non solo fornisce i propulsori a effetto Hall per il SR-1, ma è anche direttamente coinvolta nello sviluppo del programma di potenza di superficie a fissione, che fornirà energia nucleare alla futura base lunare americana.

“La propulsione nucleare può alimentare l’esplorazione verso le più remote regioni del sistema solare e oltre, migliorare la sicurezza nazionale e consentire scoperte rivoluzionarie. La manovrabilità nello spazio è stata a lungo un fattore limitante per le più ambiziose esplorazioni robotiche e altre applicazioni governative uniche, e L3Harris è impegnata a rimuovere tale vincolo.”
Kristin Houston – Presidente, Sistemi di Propulsione Spaziale e Potenza, Aerojet Rocketdyne, L3Harris

Il suo sistema di propulsione elettrica è stato anche utilizzato dalla missione Dawn della NASA per gli asteroidi della cintura principale Ceres e Vesta.

L’azienda sta anche esplorando la Propulsione Nucleare Termica (NTP), basandosi sulla sua nuova esperienza con la propulsione nucleare elettrica e sulla sua esperienza molto più consolidata con i generatori termolettrici radioisotopici, poiché ha fornito la fonte di energia sia per il rover Curiosity su Marte sia per il rover Perseverance.

Tuttavia, lo spazio è solo uno dei segmenti dell’attività dell’azienda.

Il suo core business consiste nel fornire alle forze armate statunitensi e ai loro alleati comunicazioni sicure (metà del mercato globale delle radio tattiche), centri di comando, radar e piani di comunicazione, guerra elettronica, satelliti per la rilevazione di lanci missilistici, ecc.

Aerodyne, l’azienda che fornisce al SR-1 i suoi sistemi di propulsione, è anche un importante produttore di missili, inclusi munizioni per sistemi di difesa missilistica, il cui inventario è stato fortemente sollecitato dalle guerre in Ucraina e Iran.

In generale, la crescita prevista del bilancio militare statunitense da 1 trilione a 1,5 trilioni di dollari probabilmente favorirà tutti gli investitori del settore della difesa, soprattutto poiché la guerra in Ucraina ha esaurito gli inventari e la guerra con l’Iran ha rivelato la necessità di più munizioni e difesa missilistica.

È questa ultima rivelazione dell’evoluzione nella strategia militare che potrebbe beneficiare maggiormente L3Harris. Se l’Ucraina ha evidenziato l’importanza dei droni e della guerra elettronica, il conflitto con l’Iran ha sottolineato l’importanza delle difese missilistiche. E più di ogni altra cosa, l’importanza di un ampio inventario di missili intercettori, poiché ogni missile in arrivo consuma 2-3 intercettori.

Inoltre, il rinnovato ambizione della NASA dovrebbe anche beneficiare l’azienda come fornitore principale di propulsori ionici e di energia nucleare spaziale.

(Puoi leggere di più sulle attività aerospaziali e di difesa di L3Harris nel nostro rapporto di investimento dedicato all’azienda.)

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