Nicholas Dallmann è un ingegnere di ricerca al Los Alamos National Laboratory, una struttura del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Ha contribuito con questo articolo alle Voci esperte di Space.com: Op-Ed & Insights. Il progetto che descrive è finanziato dal Los Alamos Laboratory Directed Research and Development.
Nel film del 2013 “Gravity”, la spazzatura spaziale ha quasi ucciso Sandra Bullock. Mentre quella storia era sicuramente finzione (e finzione sensazionale), la minaccia della spazzatura spaziale è reale – così reale che la NASA ha un intero ufficio dedicato al monitoraggio e alla mitigazione. E l’anno scorso si è tenuta la prima conferenza internazionale interamente incentrata sui detriti orbitali.
C’è una buona ragione per essere preoccupati. Attualmente, circa 2.000 satelliti operativi orbitano intorno alla Terra – per non parlare di altri 3.000 non operativi – e quel numero è destinato a salire alle stelle. Quest’anno, più di 1.500 satelliti sono previsti per il lancio. (Confronta questo con il 2018, quando solo 365 sono stati lanciati.)
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Lo spazio potrebbe essere grande, ma sta diventando sempre più affollato, e questo è un problema reale. L’orbita terrestre bassa, o LEO, dove viaggia la maggior parte dei satelliti, è una risorsa naturale. E proprio come altre risorse naturali, dobbiamo gestirla con attenzione. Basta che alcuni satelliti entrino in collisione per innescare l’effetto Kessler: una reazione a catena incontrollata in cui più detriti provocano altre collisioni, che potrebbero non solo danneggiare o distruggere virtualmente ogni veicolo spaziale in LEO, ma rendere quella parte di spazio inutile per decenni.
Ma se si potesse manovrare i satelliti in rotta di collisione fuori dal pericolo? Che ci crediate o no, non è facile da fare. La maggior parte dei satelliti inviati in LEO – in particolare i piccoli satelliti e i cubesat – non hanno sistemi di propulsione perché tendono ad essere pesanti e costosi. Inoltre rappresentano un rischio aggiuntivo per il razzo che trasporta il satellite nello spazio, così come per qualsiasi altro carico utile che si fa un giro. Questo perché il sistema di propulsione a razzo più comune utilizza carburante liquido per razzi, che è estremamente volatile. Se sei un piccolo cubesat a bordo di un razzo multimilionario e il tuo volubile sistema di propulsione esplode durante il lancio o durante il viaggio nello spazio, l’intera missione è finita. Parliamo di una brutta giornata.
La soluzione più semplice è quella di utilizzare invece il combustibile solido per razzi. È ad alta spinta, molto più sicuro e a basso costo, inoltre può essere conservato per periodi di tempo estremamente lunghi. Ma il combustibile solido per razzi ha un enorme svantaggio: Non può essere fermato e riavviato. Una volta che lo si accende, si ha una sola combustione. Tutto qui. E questo è un problema per evitare i detriti. Per evitare la collisione cambiando orbita, hai bisogno di almeno due bruciature indipendenti: una per spostarlo rapidamente fuori dalla strada, e una per rimetterlo sulla sua orbita corretta. Per de-orbitare il satellite, è probabile che ci sia bisogno anche di bruciature multiple.
Al Los Alamos National Laboratory, stiamo lavorando per cambiare questo. Abbiamo recentemente sviluppato e dimostrato la capacità di fermare e riavviare i motori a razzo solido molte volte – qualcosa che non è mai stato fatto prima.
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Come funziona
Un razzo solido è semplice, con solo pochi componenti principali. Comprende una camera di combustione contenente un sistema di accensione e un propellente, e un ugello di scarico. Abbiamo recentemente sviluppato un sistema di propellente più sicuro con combustibile solido separato e ossidante solido. Tuttavia, al fine di rendere il nostro sistema a razzo solido in grado di fermarsi e ripartire, abbiamo dovuto sviluppare un sistema di accensione riutilizzabile e un modo azzerabile per spegnere una combustione.
Per l’accensione, abbiamo sostituito la pirotecnica tradizionale con acqua. Con il nostro sistema, un satellite sarebbe stato lanciato con un piccolo serbatoio di acqua benigna. Una volta in orbita e appena prima di un’accensione, un elettrolizzatore separerebbe l’acqua in gas di idrogeno e ossigeno. Al momento dell’accensione, l’idrogeno e l’ossigeno verrebbero rapidamente iniettati nella camera di combustione e accesi da una scintilla. La fiamma risultante accenderebbe il propellente solido.
La sfida successiva era capire come estinguere la combustione. Si è capito da tempo che una rapida decompressione della camera può causare in modo affidabile l’estinzione di un razzo solido – ma come farlo al meglio? L’anno scorso abbiamo sviluppato un ugello aerospike con un’area di strozzamento variabile. Una volta che la combustione ha raggiunto una variazione di velocità desiderata, l’area della strozzatura verrebbe aperta, decomprimendo la camera ed estinguendo la combustione. Quando un’altra combustione del razzo è necessaria, l’area dello starter viene riportata alla sua posizione originale. Ripetere come necessario.
Abbiamo recentemente dimostrato bruciature multiple indipendenti da un singolo razzo solido in banchi di prova statici a Los Alamos. Il prossimo ostacolo sarà una dimostrazione in orbita. Stiamo lavorando ora per perfezionare il nostro sistema e cercare un’opportunità per la dimostrazione.
Siamo anche cercando di sviluppare un carico utile che è isolato dal satellite principale e che contiene la propria alimentazione, ha comunicazioni a bassa larghezza di banda con la terra, ha il controllo dell’assetto per stabilire il puntamento per un’accensione ed è dotato del nostro sistema a razzo solido. Con questo carico utile, evitare i detriti e de-orbitare potrebbe essere eseguito molti anni dopo che il satellite ha raggiunto la fine della sua vita.
I razzi solidi non sono la risposta a tutte le potenziali sfide per affrontare il problema della spazzatura spaziale – ma la loro semplicità, la facilità di scalare alle dimensioni del veicolo spaziale, la spinta elevata e ora le spinte multiple indipendenti li rende un grande candidato per evitare i detriti orbitali e deorbitare. La nostra speranza è che un giorno questi razzi saliranno a bordo di ogni satellite lanciato nello spazio – mantenendo LEO sicuro e utilizzabile per i millenni a venire.
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