Ecco come il nuovo motore di SpaceX ci porterà su Marte

Prima che Elon Musk calcasse il palco del 67 ° Congresso Astronautico Internazionale per spiegare nel dettaglio il destino di specie interplanetaria che attenderà gli esseri umani una volta colonizzato Marte, alla credibilità delle ambizioni di SpaceX, mancava un solo pezzo del puzzle: il motore a razzo Raptor.

E grazie alle menti fenomenali che lavorano per la società, Musk è riuscito nell'impresa. Il 27 settembre, l'imprenditore ha twittato una foto del primo test di volo del modulo di trasporto interplanetario Raptor di SpaceX svoltosi presso lo stabilimento della società situato a McGregor, in Texas. Ma perché SpaceX ha dovuto progettare un nuovo motore e cosa rende il Raptor così speciale?

I requisiti

Fare in modo che 100 coloni, con le loro provviste, i loro rifiuti e tutto il resto dell'attrezzatura percorrano i 57,6 milioni di chilometri che separano la Terra da Marte non è così facile come lanciare, per esempio, un satellite di piccole dimensioni nell'orbita terrestre bassa (LEO). I motori necessari per spedire nello spazio il razzo gigante e la navicella devono essere potenti e più efficienti di qualsiasi altro motore a razzo creato fino ad ora, oltre a possedere la capacità di supportare più voli e cicli di rientro.

Pensate, l'Interplanetary Transport System (ITS) di SpaceX, considerando razzo e navicella insieme, è alto 122 metri, con un diametro di 12 metri (la sezione dell'astronave aveva un diametro di 17 metri). Per fare un confronto, supera di 11 metri in altezza il razzo Saturn V della NASA, oltre ad essere un po' più grande. L'ITS, infatti, è talmente voluminoso, che potrebbe quasi occupare da solo il Vehicle Assembly Building della NASA (VAB) al Kennedy Space Center.

Per prima cosa, SpaceX, deve riuscire a spedire in orbita le 550 tonnellate di carico previsto—di cui 450 tonnellate di carico utile per Marte. Durante l'epoca delle missioni Apollo, Il Saturn V doveva trasportare solo 135 tonnellate per un LEO. Musk ha proposto Falcon Heavy, un veicolo di lancio super pesante, progettato per trasportare 54,4 tonnellate, il cui test è previsto per l'inizio del prossimo anno. Persino durante i suoi viaggi più semplici, quando ricopre il ruolo di mezzo di rifornimento per le altre astronavi del sistema, il razzo trasporta ben 380 tonnellate di carburante. I motori Raptor devono anche svolgere al meglio il lavoro necessario per la seconda sezione dell'ITS, ovvero, quella dell'astronave, destinata a trasportare il carico e i coloni marziani. Ebbene sì, SpaceX aveva chiaramente di riprogettare i suoi motori.

Energia

Parlando di energia, il motore Raptor dovrebbe disporre di una capacità di spinta a livello del mare di 313 tonnelate (3.050 kN) , che possono diventare 335 tonnellate (3.285 kN) nel vuoto cosmico (l'assenza di atmosfera rende i motori più efficienti). In un tweet del 26 settembre, Musk ha confermato che il lancio di prova aveva raggiunto una capacità di 304 tonnelate, molto più potente del motore Merlin 1D sempre di SpaceX (68 tonnellate) e di quello dello Space Shuttle RS-25 (181 tonnellate).

Per raggiungere questo livello di potenza estremo, pur offrendo un motore che può essere riutilizzato per un lungo periodo, SpaceX necessitava di una nuova progettazione.

Perché Musk non si è limitato semplicemente a ficcare i motori F-1 del Saturn V sulla sua ITS e buona così? Ebbene, pur essendo potentissime, le tecnologie precedenti, come quella del F-1, semplicemente non è stata progettata per la lunga durata e il rientro. Semplicemente, i motori dell'ITS non sono pensati per superare l'orbita terrestre.

Metano?

Mentre SpaceX inizialmente aveva previsto di utilizzare per il motore del Raptor una miscela di ossigeno liquido e idrogeno (hydralox), nel 2012, Musk ha invece rivelato che verrà alimentato da metano e ossigeno liquido (methalox).

Il passaggio al metano produce, di fatto, un motore più efficiente. È anche più pulito e riutilizzabile. Il metano necessita di serbatoi più piccoli rispetto a quelli per l'idrogeno, abbattendo le dimensioni e il peso di tutto il sistema ITS. Inoltre, stiamo pur sempre parlando di Marte e indovinate un po' quale elemento si trova a strafottere su Marte? Il diossido di carbonio. Questa CO2 può essere utilizzata in un processo chiamato reazione di Sabatier che sfrutta l'idrogeno per produrre acqua, ossigeno e metano! Gli esseri umani adorano l'ossigeno e l'acqua, oltre ad avere sicuramente bisogno di più metano per riportare l'ITS sulla Terra.

Il Raptor è anche uno dei primi motori a razzo prodotto negli Stati Uniti a usare un design per la combustione stadiata. Funziona così: anziché utilizzare una piccola quantità di liquido combustibile e comburente per accendere una 'prima fiamma' che vada a caricare la turbopompa, che deve poi pompare il resto del combustibile e del comburente dentro alla camera di combustione principale per far partire il razzo come gli altri motori, con la combustione stadiata tutto il combustibile viene rilasciato direttamente dentro le turbopompe. Questo fa sì che queste ultime lavorino a un regime più alto con l'aumentare della pressione, e che si ottenga una spinta maggiore. È anche comodo per mantenere le turbopompe più fredde, dato che sono attraversate da una quantità di liquido maggiore. Inoltre, elimina alcune complicazioni legate ad aggiunte meccaniche necessarie e al dover bloccare il combustibile e il comburente, perché possono restare nelle proprie sezioni fino al momento in cui vengono immessi dentro alle turbopompe.

John Bonsor, ingegnere aerospaziale inglese e segretario della United Kingdom Rocketry Association e della Scottish Aeronautics and Rocketry Association, ha detto a Motherboard, "SpaceX sta spremendo tutta l'efficienza possibile dai motori a propellente, e lo sta facendo con un certo stile. Sono particolarmente colpito dall'idea della densificazione del comburente e del combustibile. È una pensata intelligente, in grado di risolvere potenzialmente diversi problemi in un colpo solo."

Bonsor ha specificato, ad ogni modo, che la tecnologia su cui si basa il Raptor prende in prestito molti dei suoi aspetti da progetti di cui il primo pioniere è stato il programma spaziale russo. "A conti fatti, SpaceX sta facendo innovazione, ma molta della tecnologia che usa è basata sulla tecnologia missilistica russa," ha detto Bonsor a Motherboard.

"Inoltre, [i Raptor] sono motori a pressione molto, molto alta. È un'altra caratteristica tipica della tecnologia per motori spaziali russa. Questo ciclo chiuso [opposto al ciclo aperto dei sistemi di generazione gas che usano i motori Merlin] è a sua volta un prodotto dei motori russi. Hanno preso un esempio molto buono e ne stanno ampliando il concetto. Se hai intenzione di sederti sulle spalle dei giganti, scegli i giganti giusti. E loro l'hanno fatto."

Il senso della vita è…42?

Il prossimo passo per SpaceX è attaccare i motori Raptor alla flotta di astronavi dell'ITS (la prima delle quali sarà battezzata in onore dell'astronave "Heart of Gold," dal romanzo di Douglas Adams Guida galattica per autostoppisti). Il piano è realizzare 42 di queste bestie per la sezione di booster, ottimizzate per le condizioni di partenza a livello del mare. La configurazione dei motori sul booster prevederà 21 Raptor sull'anello esterno, 14 su quello interno, e poi sette concentrati al centro. Questo centro sarà anche dotato di cardini per la manovrabilità.

La sezione dell'astronave userà sei Raptor, ottimizzati per il viaggio nel vuoto, insieme a tre Raptor extra per le manovre di atterraggio.

"L'ITS usa 42 motori nella fase di decollo. Ora ci sono tutta una serie di vantaggi legati a questo fatto, per esempio, nell'eventualità che alcuni di questi motori si spegnessero. Ipotizzando che uno dei motori non risponda più, si può spegnere il suo corrispettivo sul lato opposto, così da non avere una spinta asimmetrica," ha detto Bonsor. "A quel punto si può aumentare la potenza di quelli che restano. Ovviamente c'è un limite, ma l'impianto incrociato e l'ottima gestione del propellente possono compensare una situazione da 'motore fuori uso.' Quando invece ci sono motori più grossi e in minor numero, il fatto che uno vada 'fuori uso' è un problema più complesso da risolvere. È successo un paio di volte con il Saturn V. Ci sono ad ogni modo potenziali pericoli. Il caso storico più simile è il booster del Russian N1 Lunar negli anni Sessanta e Settanta."

Finanziamenti

Lo schema dell'ITS di SpaceX ha già suscitato molte domande relative al suo finanziamento, con Musk stesso che ha scherzato sul fatto che la sua azienda rischi di dover lanciare una campagna su Kickstarter per riuscire a raggiungere Marte.

Ciò nonostante, la produzione del Raptor sembra cominciata senza titubanze, in parte grazie alla US Air Force. Esatto, SpaceX non è l'unica organizzazione interessata a questa tecnologia. Dal 2009 al 2015 lo sviluppo del Raptor è stato finanziato solamente da SpaceX, ma a gennaio 2016 SpaceX ha ricevuto 33.6 milioni di dollari dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti per sviluppare una versione prototipo di una variante superiore del Raptor, pensata per essere utilizzata sui modelli di classe superiore di un Falcon 9 e di un Falcon Heavy.

Il Pentagono è alla ricerca specifica di motori per ciò che definisce "Evolved Expendable Launch Vehicles" per il lancio dei satelliti. SpaceX ha dovuto includere a sua volta 67 milioni di dollari nel contratto, ma il premio del governo è indicativo dell'attenzione che SpaceX sta attirando da parte dell'esercito per le tecnologie che costruisce. E se il programma ITS avrà successo, attirerà senza dubbio anche l'attenzione del resto del mondo.