Nuova forma di propulsione spaziale proposta per la missione Urano

L'umanità ha inviato solo una manciata di veicoli spaziali nel sistema solare esterno oltre la fascia degli asteroidi. C'erano i Pionieri e i Viaggiatori che lasciarono la Terra negli anni '70. La missione Galileo si è diretta su Giove nel 1989 e Cassini-Huygens su Saturno nel 1997. Infine, la missione New Horizons ha lasciato la Terra nel 2006 e si sta attualmente dirigendo verso Plutone e la fascia di Kuiper.

Un problema con queste missioni è il semplice tempo e il costo coinvolti. Galileo ha impiegato 6 anni per raggiungere Giove ed è costato circa $ 1,6 miliardi mentre Cassini-Huygens ha impiegato 7 anni per arrivare a Saturno ed è costato quasi altrettanto.

Ora, un team guidato dalla Finlandia propone una missione su Urano alimentata da una nuova forma esotica di propulsione che è attualmente in fase di sperimentazione nell'orbita terrestre. Questa propulsione è a energia solare e quindi non richiede propellente a bordo. E può inviare una sonda a Urano all'incirca nello stesso tempo impiegato da Galileo per raggiungere Giove, che è a meno della metà della distanza. Ma i costi di una simile missione non sono ancora chiari.

Un problema per le sonde che visitano il Sistema Solare esterno è nel generare la velocità necessaria per arrivarci, contro l'attrazione della gravità del Sole. Il piano originale per la missione Galileo, ad esempio, prevedeva l'utilizzo della navetta spaziale per posizionare la sonda e il suo razzo booster nell'orbita terrestre. Il booster è stato progettato per inviare la sonda direttamente a Giove in meno di due anni.

Ma all'indomani del disastro del Challenger, la NASA decise che non sarebbe stato sensato posizionare un razzo spento nella stiva dello shuttle. E poiché nessun altro razzo poteva sollevare Galileo e il suo booster, la NASA doveva trovare un altro modo per arrivarci. Da qui l'approccio della fionda.

La missione Uranus proposta adotta un approccio completamente diverso basato sul concetto di vela elettrica o E-sail, proposto dall'ingegnere finlandese Pekka Janhunen nel 2006 (che è anche il capo della nuova proposta Uranus). Una vela elettronica è significativamente diversa da una vela solare convenzionale, che genera spinta dalla pressione dei fotoni che colpiscono la vela.

Al contrario, la vela elettronica si basa su particelle cariche come protoni e particelle alfa nel vento solare. L'idea è di generare un campo elettrico attorno al veicolo spaziale che devia queste particelle ionizzate e generi una forza che acceleri il veicolo durante il suo viaggio.

La vela è costituita da una serie di fili conduttori che si estendono radialmente dall'astronave come i raggi di una ruota. Il campo elettrico è generato utilizzando l'energia solare. E con 540 Watt, la vela dovrebbe generare circa 0,5 Newton accelerando l'imbarcazione di circa 1 mm/s^2.

Ciò dovrebbe produrre una velocità di circa 20 km/s nel momento in cui raggiunge Urano, con un tempo di percorrenza di circa 6 anni.

L'imbarcazione stessa è progettata in tre parti. Il primo è il modulo E-sail con pannelli solari e avvolgicavi per estendere i fili. Il secondo è il corpo principale del velivolo con propulsori chimici per effettuare regolazioni della traiettoria in rotta e mentre si è vicini a Urano, nonché apparecchiature di comunicazione per il contatto con la Terra.

La parte finale è un modulo di ingresso che viene rilasciato nell'atmosfera di Urano, dove effettua varie misurazioni scientifiche per la trasmissione sulla Terra tramite l'astronave principale che funge da relè.

Janhunen e colleghi affermano che questo design sarebbe adatto anche per viaggi verso altri giganti del gas con piccole modifiche.

È un'idea ambiziosa, anche perché l'idea di E-Sail non è mai stata provata su una scala del genere. Un piccolo satellite chiamato ESTCube-1 sta attualmente testando l'idea e l'Unione Europea ha un progetto di ricerca in corso per testarlo ulteriormente. Un altro satellite finlandese testerà il principio in modo più dettagliato quest'anno, ma sarà sicuramente necessario più lavoro per una missione di questo tipo.

Tuttavia, i vantaggi delle vele elettriche rispetto alle fionde gravitazionali sono evidenti. Oltre ad essere più veloci, possono anche essere lanciati quasi in qualsiasi momento con solo piccole variazioni nei tempi di viaggio. Al contrario, le fionde possono andare solo quando gli dei gravitazionali sono allineati.

Quello che Janhunen e compagni non discutono è il costo di una tale missione, che per essere onesti è difficile da definire in questa fase di un progetto. Il vantaggio di una missione di tipo Cassini o Galileo è che queste navi operano da anni attorno ai loro pianeti target inviando enormi quantità di dati anche se a costi enormi. Lo svantaggio è che tutto è perduto se l'astronave si perde in qualche modo.

Al contrario, la missione E-sail restituisce alcuni minuti di dati dalla sua entrata infuocata nell'atmosfera. Questo è sicuramente prezioso, ma dovrebbe essere significativamente più economico da giustificare.

Quindi una buona comprensione dei costi relativi di questo tipo di missioni sarà cruciale nel determinare se E-Sails avrà un futuro nell'esplorazione del Sistema Solare esterno.

Rif: arxiv.org/abs/1312.6554 : Fast E-Sail Uranus Entry Probe Mission

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