Lo sviluppo di nuove fonti energetiche nucleari nell’esplorazione umana dello spazio

Alla fine del 2020, in uno degli ultimi atti della presidenza Trump, è stata approvata la nuova strategia per l’utilizzo dell’energia nucleare su vettori spaziali cui punto cardine è la possibilità di poter realizzare un reattore ad uso planetario in grado di operare sulla superficie di altri corpi celesti.

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L’esplorazione dei corpi celesti

Quando negli anni ’50 e ’60 videro la luce i primi programmi spaziali le questioni e le incognite riguardanti gli effetti di un possibile viaggio nello spazio richiesero notevoli sforzi per lo sviluppo di nuove tecnologie e molteplici esperimenti per poter raccogliere una mole sufficiente di dati. Jurij Gagarin fu la prova che l’uomo era in grado di affrontare le principali sfide poste alla sua sopravvivenza al di fuori dell’atmosfera terrestre e le missioni Apollo che si potesse metter piede su un corpo celeste diverso dalla Terra. L’esplorazione umana dello spazio, dopo gli anni degli allunaggi, si volse progressivamente verso l’impiego di sistemi a pilotaggio remoto o autonomi in grado di poter viaggiare per mesi (o anni) nello spazio senza il bisogno di alcun sistema di sopravvivenza. Questi sistemi si sono rivelati degli strumenti preziosissimi per la comprensione dell’universo dando la possibilità di esplorare altri corpi celesti o quantomeno poterli vedere da molto vicino. Dopo il 14 dicembre del 1972, con l’ultimo allunaggio della missione Apollo 17, l’esplorazione spaziale ha visto il ruolo centrale affidato a sonde, telescopi e rover lasciando all’uomo una più “tranquilla” presenza solo nell’orbita più prossima al nostro pianeta.

Nell’ormai prossimo anniversario dei 50 anni dall’ultimo passo umano su un corpo celeste sembra essere di nuovo emerso un vivo interesse per il ritorno all’esplorazione dell’uomo nello spazio. Deve essere chiarito che l’ambizione di avere equipaggi umani che fossero in grado di passeggiare su altri pianeti non si spensero quel 14 dicembre di mezzo secolo fa ma sono stati coltivati costantemente, anche se al di sotto della superficie. Gli incidenti e gli evidenti limiti tecnologici dei sistemi e delle piattaforme hanno portato ad un lavoro silenzioso per lo sviluppo di nuovi mezzi che spesso è stato messo in secondo piano a vantaggio di programmi che potessero dare, e che hanno dato, un contributo più immediato e fondamentale alla ricerca astronomica e fisica. In questo caso basta citare il noto programma Mars Rover che ha permesso di conoscere non solo la morfologia ma anche parte della storia della geologia e dell’ecologia del pianeta rosso. Un altro caso è quello della sonda New Horizons che ha restituito la prima mappatura di Plutone e dei suoi satelliti per poi continuare il suo viaggio verso la fascia di Kuiper. In ultima istanza uno dei maggiori successi ottenuti negli ultimi 50 anni è senza alcun dubbio la missione della sonda Rosetta (a guida ESA) il cui rover Philae è stato il primo oggetto costruito dall’uomo ad atterrare su una cometa per studiarne le caratteristiche in loco.

Come si può notare in questo mezzo secolo l’esplorazione spaziale ha dato i suoi frutti grazie al progresso dei settori dell’automazione e della miniaturizzazione delle piattaforme in grado di affrontare viaggi a distanze notevoli e con un elevata survivability. Ciò sempre in attesa di avere a disposizione gli strumenti che potessero garantire le stesse sicurezze anche ad un futuro equipaggio umano, con tutte le dovute differenze del caso.

Il futuro dell’uomo nello spazio

Con il compimento del primo anno della USSF (U.S. Space Force) viene a delinearsi in maniera sempre più definita un vasto programma di esplorazione dei corpi celesti che prevede la presenza di equipaggi umani sulla Luna e successivamente su Marte. Il 16 dicembre del 2020 è stato pubblicato il Memorandum on the National Strategy for Space Nuclear Power and Propulsion (Space Policy Directive-6) che segna un ulteriore passo verso la presenza prolungata dell’uomo su altri pianeti. Nell’idea degli Stati Uniti è previsto infatti l’utilizzo di reattori a fissione e sistemi per la produzione di energia a radioisotopi appositamente progettati per lo stivaggio e il trasporto extra-atmosferico e per operare in condizioni diverse da quelle terrestri (su tutte la differente forza di gravità). Queste fonti di energia saranno anche impiegate per gli “elementi mobili” delle missioni come i rover e le navicelle spaziali oltre che per alimentare le basi in loco. Come affermato dalla SPD-6 queste soluzioni permetteranno una operatività dei sistemi e delle piattaforme che fonti di energia come quella solare o di natura “chimica” ad oggi non riescono a fornire. Potranno infatti produrre una quantità di energia maggiore a volumi più contenuti rispetto alle altre fonti energetiche.

Il memorandum di metà dicembre stabilisce quella che può essere definita come una vera e propria strategia di procurement in grado di fornire i mezzi per perseguire gli obiettivi statunitensi (scientifici e non) nel dominio spaziale. Non a caso lo sviluppo di queste tecnologie è definito come mission-enabling. Nello specifico vengono definiti obiettivi ben precisi che gli Stati Uniti devono conseguire:

  • Sviluppo delle capacità per la produzione di combustibile a base d’uranio che risponda alle esigenze per l’uso nello spazio e planetario (ad esempio sulla superficie lunare) e per le applicazioni NEP (Nuclear Electric Propulsion) e NTP (Nuclear Thermal Propulsion). I sistemi di alimentazione hanno infatti lo scopo di mantenere una presenza costante sul suolo lunare e contemporaneamente delineare gli standard minimi per quella su Marte in un programma che di fatto vede nello sbarco e stanziamento sul pianeta rosso il suo vero obiettivo.
  • Sviluppo di diverse soluzioni di materiale fissile come combustibile nucleare e, contemporaneamente, massimizzarne la “commonality” ovvero l’uso di materiali, processi, design e infrastrutture simili per la sua produzione. Questo punto è di estrema importanza in quanto questo approccio favorisce l’engagement del settore privato e riduce i costi di dell’intero processo dato che queste capacità andranno a interessare una serie piuttosto ampia di applicazioni anche per un loro futuro uso commerciale. Per favorire la presenza del settore privato nello sviluppo delle capacità SNPP (Space Nuclear Power Production) le varie agenzie coinvolte condurranno regolarmente “technical exchanges” in conformità con i parametri di sicurezza e riservatezza. Queste infatti dovranno coordinarsi con il Dipartimento di Stato per avviare una possibile partnership internazionale.
  • Sviluppo di capacità RPS (Radioisotope Power Systems) che migliorino in maniera sostanziale l’efficienza dei combustibili ed allunghino i tempi operativi dei sistemi e delle piattaforme al fine di supportare l’esplorazione lunare e marziana dell’uomo e portare ancora più avanti quella delle piattaforme unmanned.

A riprova che la SPD-6 delinei una vera e propria strategia è il fatto che nel documento viene stabilita una roadmap per lo sviluppo del programma e per il conseguimento dei vari obiettivi alla quale tutti i soggetti coinvolti devono far riferimento. Entro la metà degli anni ‘20 dovranno essere sviluppate le capacità per la produzione del combustibile nucleare destinato alle applicazioni spaziali, NEP e NTP. Questo passaggio include tutto il processo di R&D e lo sviluppo di “dimostratori” salvaguardando comunque l’approvvigionamento di uranio destinato alle forze nucleari e alle unità a propulsione nucleare della U.S. Navy.

Nella seconda metà degli anni ‘20 tali “dimostratori” dovranno essere operativi sulla superficie lunare e in grado di mantenere una presenza durevole sulla superficie del satellite. Questo passaggio include anche la fase di studio e dimostrazione per una futura missione di esplorazione e stanziamento su Marte. In questo passaggio sono inclusi lo sviluppo del design dei reattori, dei sistemi di conversione dell’energia, del controllo termico e i sistemi di protezione dalle condizioni dell’ambiente esterno. Anche in questo caso fondamentale sarà l’apporto dei produttori privati per la “commonality” di questi elementi. Nello stesso periodo saranno sviluppate contemporaneamente le capabilities (sempre in concerto con il settore privato) in grado di rispondere alle esigenze delle missioni del DoD e della NASA in termini di NTP (Nuclear Thermal Propulsion).

Entro il 2030 dovranno quindi essere sviluppate capacità RPS (Radioisotope Power Systems) per una sempre maggiore efficienza del combustibile in un rapporto di simbiosi, oramai conclamato, tra il settore pubblico e quello delle aziende private. Di estremo interesse è il fatto che nel memorandum, riguardo lo sviluppo di questi sistemi, si parli apertamente della possibilità di poter mettere in cantiere diverse soluzioni e persino avviare il procurement per un RPS (o equivalente) di next-gen, va ricordato infatti che il primo modello deve ancora vedere la luce.


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Alcune considerazioni sul processo di sviluppo del programma di esplorazione spaziale

Quanto emerge dalla SPD-6 dà la misura di quanto gli Stati Uniti stiano investendo su questo programma e sugli impatti a lungo termine. Tale approccio è in linea con quanto è possibile riscontrare anche nei processi di innovazione in generale, mostrando quindi una coerenza d’approccio e un bias culturale statunitense volto al continuo sviluppo delle proprie capacità e al mantenimento della supremazia nei settori ritenuti chiave come, in questo caso, è il dominio spaziale. Con questo passo Washington ha chiarito la volontà di non voler lasciare spazio alcuno ai suoi competitor in un settore che si presenta, più di altri, altamente competitivo e con margini di vantaggio iniziali minori. In questo caso i forti investimenti e la grande esperienza pregressa permettono di fatto l’avvio di un programma che ha poche speranze di essere replicato in tempi brevi, in risposta anche al recente successo della missione cinese Chang’e-5.

Se nella tarda età moderna i vuoti sulle mappe sono andati progressivamente scomparendo grazie alle continue missioni di esplorazione delle zone più impervie del nostro pianeta i nuovi Cap. Charles Marlow si addentreranno entro regioni ove mai vi era stata alcuna presenza umana. Parafrasando uno dei passi più celebri dell’ideatore del Capitano – J. Conrad – si può affermare che nella prossima epoca di grandi esplorazioni quegli uomini compiranno “un viaggio indietro nel tempo, ai primordi del mondo.”

Emanuele Appolloni,
Geopolitica.info