di Pasquale Barbato
Dal momento in cui l’uomo ha compreso che nel nucleo atomico è contenuta una grande quantità di energia e che questa energia può essere recuperata e utilizzata, tante applicazioni sono state pensate e realizzate.
L’idea di sfruttare questa nuova fonte energetica per scopi propulsivi attirò da subito l’attenzione delle superpotenze, degli Stati Uniti in particolare, che misero in atto importanti piani di ricerca e sviluppo per dare vita a questa sconosciuta tipologia di tecnologie. Con questo spirito nel 1955 iniziò le prove in mare il Nautilus, capostipite di quella che senza dubbio è stata la più felice applicazione dei reattori propulsivi: la filiera dei sottomarini.
L’adattamento alle esigenze dell’aerospazio fu invece più complicato ed è bene, prima di addentrarci in questo mondo, fare un’importante premessa: nessun razzo nucleare termico costruito dall’uomo ha mai volato. Non che questo tolga dignità alle altre applicazioni che l’energia nucleare ha avuto nel settore spaziale: i generatori termoelettrici a radioisotopi hanno fornito energia elettrica a numerose missioni, a partire dalle missioni Apollo che hanno portato l’uomo sulla Luna. Quello di cui vogliamo parlare però è qualcosa di diverso, ovvero l’utilizzo di un piccolo reattore nucleare a fissione per riscaldare un fluido da espandere poi in un ugello ed espulso per fornire una spinta. Il principio è lo stesso di qualunque tipo di razzo (tecnicamente, endoreattore) che solitamente sfrutta una reazione chimica per produrre energia termica.
Schema di funzionamento del motore nucleare
In questo schema è rappresentato un reattore nucleare adattato per il volo. In questo caso il fluido propulsivo è idrogeno che riceve energia direttamente dal reattore fungendo anche da refrigerante. È bene osservare che molti dispositivi non erano ancora tecnologicamente maturi a sufficienza quando, negli anni ’60, cominciarono i test su questi tipi di reattore. Per esempio, non erano disponibili turbopompe adeguate alle portate di idrogeno necessarie ad evitare la fusione del nocciolo.
Per capire l’interesse suscitato dall’alternativa nucleare basta considerare la cosiddetta velocità efficace di uscita, parametro che rappresenta la spinta per unità di portata di propellente. I più performanti endoreattori chimici a propellenti liquidi criogenici raggiungono velocità efficaci di 4500 m/s, mentre quella di un razzo nucleare è stimabile come almeno il doppio. D’altra parte, oltre alle varie problematiche tecniche, spedire oggetti nello spazio ha un costo, e questo costo lo si calcola in termini di peso. Dopo la Seconda guerra mondiale un reattore completo era così pesante che si dubitava di poter raggiungere un rapporto spinta/peso 1/1. Oggi si è arrivati ad ipotizzare rapporti di 7/1, ben lontani comunque dal 70/1 raggiungibile con un reattore chimico.
Nonostante questo, la costruzione di un razzo nucleare non è rimasta soltanto una fantasiosa idea come forse può apparire, al contrario: un motore nucleare è stato realizzato e preso in considerazione come stadio per il Saturn, il razzo che ha portato l’uomo sulla luna.
Il Progetto Rover
Gli Stati Uniti d’America lanciarono nel 1955 un programma per sviluppare un endoreattore nucleare termico sotto il nome di progetto ROVER affidandone la gestione alla Atomic Energy Commission (AEC) presso i laboratori di ricerca di Los Alamos (LASL). Quando nel 1958 venne fondata la NASA tutta la parte spaziale del progetto venne affidata a quest’ultima. Fu un problema manageriale non da poco la collaborazione di due grandi agenzie governative, a causa dell’impossibilità tecnica di separare lo sviluppo del reattore, affidato all’AEC, da quello del razzo vero e proprio, di cui si sarebbe dovuta occupare la NASA. Inizialmente si pensò di utilizzare questi endoreattori per la costruzione di missili intercontinentali, ma presto venne presa in considerazione la possibilità di sfruttarli come secondo stadio di una missione lunare e per un’eventuale missione su Marte.
Il president John F. Kennedy in visita alla Nuclear Rocket Development Station
Nevada, 12 agosto 1962.
Per avere un’idea del clima che si respirava attorno al mondo nucleare, si leggano le parole di Kennedy al Congresso americano nel maggio del ‘61:
“I therefore ask the Congress, above and beyond the increases I have earlier requested for space activities, to provide the funds which are needed to meet the following national goals:
First, I believe that this nation should commit itself to achieving the goal, before this decade is out, of landing a man on the Moon and returning him safely to the Earth…
Secondly, …accelerate development of the Rover nuclear rocket. This gives promise of someday providing a means for even more exciting and ambitious exploration of space, perhaps beyond the Moon, perhaps to the very end of the solar system itself.
Third, … accelerating the use of space satellites for world-wide communications. “
Dei tre obiettivi, il primo e il terzo sono stati raggiunti con un impatto all’epoca inimmaginabile sulla vita di ognuno, mentre il secondo resta ancora da perseguire.
Il progetto si esplicitò in quattro segmenti principali: KIWI, NERVA, PHOEBUS e RIFT.
Il progetto KIWI fu un programma di ricerca in cui vennero sviluppati reattori non volanti (kiwi è il nome di una specie di uccello che non vola) al fine di sperimentare reattori alimentati ad idrogeno. Il KIWI A1 è stato il primo ad essere acceso nel luglio del 1959 e consisteva in una pila di piastre di ossido di uranio nella quale veniva fatto passare l’idrogeno. Il sistema era in grado di generare 70 MW di potenza. Dimostrata la fattibilità dell’idea, si lavorò sulla composizione del combustibile. I reattori della serie KIWI B erano alimentati da piccole sfere di biossido di uranio in una matrice di boro-grafite nella forma ormai riconoscibile di una barra di combustibile nella quale erano praticati dei fori per il passaggio dell’idrogeno.
A sinistra:
KIWI-A in transito prima di essere testato
Los Alamos, giugno 1960.
“A test device for our own education in order to get us the first information on an integral system which has some of the characteristics which we are looking for in actual propulsion engines. The relationship between this and a flyable device is pretty tenuous.” -Dr. Raemer E. Schreiber, responsabile del programma ROVER.
Da queste parole emerge tutta la difficoltà dell’impresa: costruire qualcosa di tecnologicamente avanzato e completamente nuovo. Nonostante gli enormi progressi fatti in meno di quindici anni non si riuscirà mai a coprire la distanza tra il reattore sperimentale e il mezzo volante.
A destra:
Esplosione di un motore KIWI
Nuclear Rocket Development Station in Jackass Flats, Nevada, gennaio 1965.
Tra i vari test effettuati un motore KIWI venne fatto esplodere dagli scienziati attraverso un improvviso aumento di potenza. L’esperimento dimostrò che un eventuale caduta da grandi altezze non avrebbe comportato rilascio di materiale fissile.
Il sottoprogramma PHOEBUS, al quale il LASL lavorò nel periodo 1965-1968 portò alla produzione di reattori molto più grandi migliorati soprattutto dal punto di vista dei materiali grazie alla cooperazione con il centro di ricerche dell’Argonne National Laboratory, che portò ad un più efficiente utilizzo della grafite e all’introduzione del rivestimento delle barre. Tre reattori videro la luce dei test, l’ultimo dei quali generò una spinta di 890000 N e una potenza di 4200 MW, per una durata di 12 minuti.
Il progetto NERVA iniziò nel 1961 con l’obiettivo dichiarato di costruire un reattore nucleare implementabile su un veicolo volante (NERVA è l’acronimo di Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications) in grado di produrre una spinta di 890000 – 1112500 N, obiettivo che nel 1968 venne ridimensionato per esigenze di budget. Sfruttando l’esperienza acquisita con i reattori KIWI, negli anni compresi tra il 1964 e il 1968 numerosi test vennero condotti risolvendo diverse problematiche e dimostrando la completa fattibilità del veicolo nucleare. Purtroppo però era troppo tardi. Nel frattempo il mondo era cambiato e con esso gli interessi del governo americano che, impegnato nella guerra in Vietnam, cancellò nei primi anni ‘70 molti programmi della NASA, progetto NERVA compreso.
L’ultimo segmento del programma, denominato RIFT (Reactor In-Flight Test), prevedeva la costruzione di un veicolo sul quale alloggiare il motore NERVA. Nel 1961 alla NASA, che era la sola responsabile di questo progetto, erano in molti a pensare che il vettore Saturn in grado di portare l’uomo sulla luna dovesse prevedere uno stadio nucleare. In particolare si pensò di sostituire lo stadio S-IVB proprio con il RIFT, quando il motore NERVA fosse stato giudicato pronto per il volo. Venne pertanto affidata alla Lockheed la costruzione di uno stadio di 10.06 m di diametro, pesante 19958 kg e in grado di trasportarne altri 70762. Questo progetto tuttavia non vide mai la luce del sole: già nel 1963 venne rinviato a causa di due incidenti di espulsione del combustibile durante le prove del KIWI B4A e KIWI B1B, per poi venir cancellato definitivamente.
Il progetto ROVER non fu l’unica strada intrapresa. Gli Stati Uniti lavorarono parallelamente ad altri progetti, alcuni dei quali videro la luce mentre altri non trovarono le condizioni adatte per arrivare ai banchi di prova.
Tra questi vanno ricordati il progetto Orione, precedente al Rover, nel quale voleva essere implementata la propulsione nucleare a impulso (il razzo doveva essere spinto da vere e proprie piccole bombe atomiche espulse nel vuoto – il progetto venne abbandonato proprio per motivi di natura etica); il progetto Dedalo, che sfruttando la fusione nucleare potrebbe raggiungere un decimo della velocità della luce; il Progetto Longshot; VISTA; Medusa; Mag Orion e Mini Mag Orion. Con questi ultimi siamo arrivati ai primi anni duemila ed è evidente che ancora oggi l’idea che il nucleare possa portare l’uomo in giro nello spazio resta attuale.
NERVA non ha mai volato. Dagli anni ’60 ad oggi molta strada è stata fatta ed impensabili avanzamenti tecnologici hanno rivoluzionato il mondo e ampliato considerevolmente le possibilità di esplorazione spaziale. Il nucleare come fonte di energia propulsiva era una strada praticabile già all’epoca del progetto Rover e a maggior ragione è praticabile oggi. Una strada praticabile, sì, ma impervia. Il ridotto retroterra tecnologico rende spesso sconveniente anche solo pensare a un programma che porti al lancio di un reattore, considerando i costi esorbitanti dell’industria spaziale. Nonostante questo i benefici che se ne trarrebbero potrebbero essere, a detta di molti, ancora più grandi. I limiti intrinseci dei reattori chimici rendono alquanto difficile sperare che un giorno l’uomo possa esplorare il sistema solare senza un netto passo in avanti nel sistema propulsivo e l’idea di veicoli pluristadio in grado di sfruttare la più sicura energia chimica in atmosfera e quella nucleare nel vuoto dello spazio potrebbe avvicinare considerevolmente mete ora lontane.
La realtà però è diversa e sembra che, almeno per adesso, questa idea debba restare con i piedi per terra. Come il kiwi, l’uccello incapace di volare.
Fonti e approfondimenti
Per le generalità sul funzionamento degli endoreattori e delle applicazioni nucleari, si rimanda a
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F. Nasuti, D. Lentini, F. Gamma, Dispense del Corso di Propulsione Aerospaziale, Università degli Studi di Roma ‘’La Sapienza’’, http://www.ingaero.uniroma1.it/attachments/653_PA_012.pdf
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http://what-when-how.com/space-science-and-technology/nuclear-rockets-and-ramjets/.
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https://en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_thermoelectric_generator
Informazioni sul progetto ROVER sono disponibili in
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Robbins, W.H. and Finger, H.B., “An Historical Perspective of the NERVA Nuclear Rocket Engine Technology Program”, NASA Lewis Research Center, July 1991.
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Gerrish, H.P, Nuclear Thermal Propulsion Ground Test History, The Rover/NERVA Program,https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20140008805.pdf, NASA Marshall Space Flight Center, February 2014.
In particolare, si rimanda al seguente autore per l’elenco completo dei test eseguiti nell’ambito del progetto
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J.L. Finseth, Overview of Rover Engine Test Final Report, https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19920005899.pdf, February 1991.
Nucleare e Ragione 