La NASA firma un accordo per studiare la sicurezza della propulsione VASIMR

Missioni con equipaggio in corso International Space Station
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Il Johnson Space Center della NASA (JSC) e la compagnia spaziale Ad Astra hanno firmato un accordo di collaborazione per lo studio della sicurezza, affidabilità e garanzia di missione relativo allo sviluppo della tecnologia di propulsione VASIMR (R).

La sottoscrizione di questo accordo, avvenuta il 31/05/2012 da parte del responsabile del Dipartimento Safety and Mission Assurance (S&MA) del JSC della NASA e del CEO di Ad Astra, rappresenta il sesto “allegato”, firmato sotto la copertura dell’“Ombrello” del Space Act Agreement (SAA), un semplice strumento a disposizione della NASA che consente di sviluppare collaborazioni mirate a specifiche attività e obiettivi limitati nel tempo.

Lo scambio di informazioni alla base di questo accordo porterà i tecnici dello S&MA del JSC della NASA a prendere familiarità con le caratteristiche uniche, il comportamento, la fisica e la tecnica ingegneristica dei propulsori al plasma ad alta energia come il VASIMR (R), approfondendo gli aspetti legati alla sicurezza, affidabilità e garanzia di missione non appena questa tecnologia sia pronta per il volo.

La NASA dovrà a sua volta guidare i tecnici di Ad Astra attraverso i processi di sicurezza che saranno richiesti per preparare questo sistema di propulsione per l’integrazione e i test di volo su veicoli della NASA destinati al volo umano o automatizzati.

Inoltre, la NASA parteciperà insieme ad Ad Astra, sia pure a titolo consultivo, nella fase di progettazione della prima unità di test di questa nuova tipologia di propulsione, VF-200, destinato ad essere montato sulla Stazione Spaziale Internazionale.

L’accordo prevede un periodo di un’anno e mezzo per il completamento delle attività a partire da giugno 2012 per completarsi nel dicembre 2013.

VASIMR (R), acronimo inglese che sta per Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket, è un sistema di propulsione che utilizza le onde radio per ionizzare e riscaldare un propellente portandolo allo stato di plasma ad altissima temperatura. Questo viene successivamente accelerato per produrre la spinta propulsiva per mezzo di un campo potente magnetico il quale, confinando il plasma lontano dalle superfici del propulsore, consente il raggiungimento di velocità di espulsione di molto superiori a quelle ottenibili per mezzo dei motori a razzo a propulsione chimica.

Fonte Spaceref.com

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Il VASIMR è attualmente sviluppato dalla società privata Ad Astra Rocket Company, con sede a Houston, in collaborazione con una società canadese che fabbrica i generatori RF da 200 kW, necessari a ionizzare il propellente. Alcuni di questi componenti vengono testati in un laboratorio della città di Liberia, Costa Rica. Questo progetto è guidato dall’ingegnere nucleare ed ex astronauta NASA, Franklin Chang-Diaz (presidente ed amministratore delegato della Ad Astra Rocket Company).
Questa tecnologia consente di ottenere velocità finora mai raggiunte e di risparmiare denaro per il carburante: uno dei problemi principali dei viaggi nello spazio è infatti l’ingente quantità di propellente necessario per la spinta dei razzi, oltre che per le operazioni di manovra. Inoltre, il vantaggio di questo motore è che gli elettrodi che generano microonde non sono in diretto contatto con il plasma, il che garantisce una durata superiore rispetto a qualunque altro design di motore ionico finora realizzato.
Il VASIMR inoltre ridurrebbe il consumo di carburante in quantità significativa. Se consideriamo che la Stazione Spaziale Internazionale richiede ogni anno 7.5 tonnellate di carburante per poter mantenere la propria orbita (a causa della forza di attrazione della Terra), con il sistema a magnetoplasma VASIMR saranno necessarie solo 0.3 tonnellate, una riduzione di oltre il 95%. La Ad Astra Rocket Company, sostiene che grazie al VASIMIR, un viaggio verso Marte durerebbe solo 39 giorni.
Una delle limitazioni di questo progetto è che il VASIMR è un motore che può essere utilizzato solo nello spazio e quindi la sua sperimentazione potrà essere fatta solo in assenza di gravità. Infine, sono molto contento che la Nasa (finalmente) collabori con la Ad Astra Rocket Company e, se l’esperimento sulla ISS avrà successo, l’esplorazione umana del Sistema Solare potrà contare su un “potente alleato”. :ok_hand:

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Beh messa così sembra la scoperta dell’uovo di Colombo… in realtà il problema è solo spostato dal propellente all’energia elettrica per farlo funzionare… e non è così banale… se ne è già parlato in passato, ad oggi non ci sono sistemi di produzione elettrica in grado di supportare questi propulsori per grandi spinte e lunghi periodi (quelli necessari per il fantomatico viaggio verso Marte in 39 giorni per intenderci… o anche solo quello per mantenere la ISS in LEO con 0.3ton di propellente per un anno…)

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A differenza di tanti altri “fantomatici” progetti del passato, che poi sono rimasti solo sulla carta, ritengo, che se oggi la Nasa abbia deciso una collaborazione con la Ad Astra Rocket Company per il VASIMR, vuol dire che l’agenzia spaziale americana ci crede in questo progetto, altrimenti… Forse non sarà l’uovo di Colombo come dici tu, ma almeno diventerà nell’immediato futuro una relata, almeno sulla ISS. Per quanto riguarda i problemi da te enunciati, credo che i ricercatori gli abbiano preso in considerazione e sicuramente la collaborazione con la Nasa servirà proprio a questo.
A chi diceva negli anni '60, '70 o '80 che viaggiare nello spazio sarebbe possibile anche ai privati, molti tecnici e illustri scienziati sorridevano, sostenendo che nessuna società privata sarebbe mai stata in grado da sola a sostenere i costi di sviluppo e lancio di un razzo spaziale di medie/grandi dimensioni. Per non parlare di voli umani o stazioni spaziali. E invece oggi la SpaceX e non solo, hanno dimostrato il contrario. Chissà se non sarà anche così per il progetto VASIMR.

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Si… ma stiamo parlando di un prototipo da pochissimi Newton di spinta (5, CINQUE → 500g) che assorbirà per pochissimi secondi il doppio dell’intera potenza elettrica prodotta dalla ISS… di questo stiamo parlando, non di un propulsore che permette di andare su Marte in 39 giorni con potenze elettriche richieste dell’ordine delle decine di MEGAWATT e che ovviamente Ad Astra non computa nel suo conteggio delle masse perchè ovviamente non di sua competenza…

Forse non sarà l'uovo di Colombo come dici tu, ma almeno diventerà nell'immediato futuro una relata, almeno sulla ISS.

Certo, ma i propulsori elettrici non sono certo una novità, e gli ordini di grandezza delle prestazioni sono già paragonabili oggi…

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…mah…anche Zubrin è fortemente critico circa le potenzialità di VASIMIR e gli argomenti sono più o meno gli stessi. Per generare elettricità sufficiente si dovrebbe accoppiare il motore ad un reattore nucleare di notevole potenza, il che rende davvero poco fattibile l’applicazione a breve del vasimir su missioni manned…

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Ah, beh… se lo dice Zubrin, allora possiamo buttare il VASIMIR fuori dalla finestra… ma per favore!!!

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Su NSF c’e’ un 3d, molto interessante, sulle implicazioni che avrebbe sull’industria spaziale una eventuale tecnologia per sviluppare film fotovoltaico ultrasottile.

Si parla di potenze nell’ordine della decina di kw per kg (!).

In pratica una sonda a propulsione elettrica potrebbe essere alimentata da una vela fotovoltaica ultrasottile e ultraleggera-

Beh, se fosse possibile questo cambierebbe parecchio le carte in tavola, almeno per la SEP. Si potrebbero avere veramente dei tempi di transito cosi’ brevi come quelli citati per Marte. E si abiliterebbe l’utilizzo della propulsione elettrica anche a maggiori distanze dal Sole, oltre all’orbita di Giove, dove oggi e’ preclusa dall’irraggiamento molto basso.

Non sarebbe comunque una tecnologia adatta alla ISS e in generale alle applicazioni LEO, in quanto l’attrito dell’aria, e di conseguenza il decadimento piu’ veloce dell’orbita, vanificherebbe il fatto di avere una vela fotovoltaica molto leggera ma molto grande e con una superfice che genera tanto attrito.

Queste le fonti:
http://www.telegraph.co.uk/news/worldnews/asia/japan/9193818/Solar-cells-thinner-than-a-thread-of-spider-silk-created-by-scientists.html#
http://forum.nasaspaceflight.com/index.php?topic=28607.0

Comunque il motore e’ gia’ un primo passo.

Oltretutto uno dei vantaggi di VASIMR e’ che quando e’ necessario puo’ ridurre l’isp e di conseguenza il consumo di energia a parita’ di spinta, a fronte di un maggior consumo di propellente. Ma ci sono tanti tipi di manovre orbitale per i quali sarebbe utile poterlo fare.

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…ma te lascia perdere il fatto che ora come ora si sta dando alla divulgazione/promozione. E’ qualificato per fare certe valutazioni ? Sulla base del suo background culturale e curriculum professionale, per me, assolutamente si.
E comunque sono i banali conti della serva che portano ad un valore complessivo di 192 megawatt (per la sola andata) che, credo, sia piuttosto problematico da mandare su…

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A spanne, un quadrato di 1,5 km di lato, ovvero 2.000.000 di m2, per generare 200 MW all’orbita di marte, con celle di ultima generazione (non quelle sottilissime, che sono inefficienti, e aumenterebbero ancora la superficie). Insomma, qualche migliaio di tonnellate di hardware da portare su e assemblare. Bazzecole.

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Aspe’, ci sono anche le vie di mezzo.

La potenza richiesta e’ proporzionale al quadrato dell’isp richiesto, se ci sia accontenta riducendo un po’ anche la spinta e il delta V, di possono comunque ridurre drasticamente i tempi di viaggio per Marte.

Bolden ha parlato, realisticamente, di 5 mesi usando la VASIMR invece che dei 2.5 anni che ci vogliono, penso, con una normale orbita di trasferimento di Hohmann.

Non mi metto a fare i conti o cercare fonti a quest’ora per capire quanto questo ridurrebbe i requisiti di potenza, ma penso parecchio.

La VASIMR dovrebbe avere efficienze nell’ordine del 60% (energia cinetica trasferita al propellente su energia consumata) che la rende meno efficiente di altri motori a ioni… e in questo Zubrin probabilmente ha ragione.

Pero, sempre se ho capito bene, i vantaggi sono che e’ molto piu’ scalabile (fare motori a ioni tradizionali con spinte relativamente elevate e’ proibitivo) che e’ piu’ durevole (e questo sarebbe un grandissimo vantaggio per un tug riutilizzabile) e che e’, per l’appunto, a isp variabile… e questo consente di ottimizzare i consumi di energia e propellente per i vari tipi di missione.

Certo, per una missione umana su marte in tempi non lunghi forse ha ragione Zubrin, i vecchi propulsori chimici danno piu’ garanzie, magari preposizionando depositi di propellente, e se anche gli astronauti ci devono mettere qualche mese in piu’ potrebbe non essere una tragedia… Piuttosto si spendano quelle risorse per dargli un minimo di gravita’ artificiale per evitare i problemi fisici dovuta a lunghi periodi in condizioni di microgravita’.

Pero’ questo non toglie che la VASIMIR e’ una tecnologia molto promettente e che potrebbe trovare molto prima applicazioni per missioni robotiche o, appunto, come tug se non per la ISS almeno per spostare payload sostanziosi da un’orbita all’altra, cosa che con i normali motori a ioni che, appunto, non possono scalare piu’ di tanto. Fanno bene a fare ricerca.

PS: 200 MW e’ un numero pazzesco. Anche con celle ultrasottili con una elevatissima densita’ di potenza di 10 kw/kg ci vorrebbe una vela fotovoltaica da 20 tonnellate di massa.

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Ma curiosity ci mette 9 mesi ad andare su marte non 2,5 anni, e mars 500 era basato piu o meno su questi numeri.

non ho capito
se riduci l’impulso specifico puoi ridurre il consumo di energia e va bene, ma questo non é a paritá di spinta e poi consumi piú propellente come dici, ma quali sarebbero i vantaggi?

Ogni manovra orbitale implica un delta V che sia solo di direzione o anche di valore assoluto, la spesa energetica totale é sempre la stessa data da Newton, poi che l’energia usata arrivi dall’alimentatore elettrico (qualsiasi esso sia) o dal propellente é sempre da valutare il bilancio energetico complessivo considerando tutti i vari rendimenti in gioco.

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La spesa energetica totale NON é sempre la stessa data da Newton.

Almeno per due importantissime ragioni.

  1. L’efficienza propulsiva, ovvero quanta dell’energia spesa si traduce effettivamente in energia acquisita dal mezzo, varia a seconda del delta V richiesto (v) e della velocita’ del propellente espulso (c) che e’ proporzionale all’impulso specifico e vale Isp*g.

Ebbene, per minimizzare l’energia consumata c’e’ un valore ottimale del rapporto tra la velocita’ richiesta e la velocita’ dei gas di scarico (e quindi l’Isp).


http://en.wikipedia.org/wiki/Spacecraft_propulsion#Power_use_and_propulsive_efficiency

In pratica questo grafico significa che se devi accellerare a 1000m/s, allora la velocita’ ottimale di espulsione del propellente e’ 1000m/s. in questo caso l’efficienza e’ 1.

Va detto che non sempre la massima efficienza energetica e’ quello che serve. Anzi, di solito il collo di bottiglia e’ la massa complessiva di propellente usata, non l’energia totale… soprattutto quando l’energia e’ prodotta ad esempio da pannelli solari.

Questo e’ il motivo per cui si usano i motori a ioni nonostante questi abbiano velocita’ di espulsione molto superiori al delta V richiesto. Anche cosi’, esagerare con l’Isp significa doversi dotare di generatori di una massa tale da annullare il vantaggio della minor massa di propellente usato.

Insomma, missioni diverse possono avere un valore di Isp ottimale diversi. Avere un motore ad Isp variabile e’ un grosso vantaggio.
E VASIMIR significa appunto Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket.

  1. Esistono fenomeni come l’effetto Oberth.
    Non solo missioni diverse ma fasi diverse della stessa missione possono richiedere Isp diversi.
    http://en.wikipedia.org/wiki/Oberth_effect

Ora, supponiamo di avere un generatore (pannelli solari) di potenza data.

Ridurre temporaneamente l’Isp significa avere una spinta maggiore a parita’ di potenza utilizzata pur consumando piu’ propellente.

Pero’ una maggiore spinta nella breve fase del fly by di un oggetto di grande massa, consentendo di sfruttare meglio l’effetto Oberth, potrebbe essere conveniente anche in termini di propellente utilizzato.

Non e’ un effetto piccolo, Wikipedia riporta un esempio di un fly by di Giove in cui un determinato impulso speso al momento giusto porta ad un effetto sulla velocita’ finale quasi 5 volte maggiore.

Non e’ molto intuitivo… e penso di averlo spiegato da schifo. Del resto tutta l’astrodinamica e’ piena di fenomeni anti intuitivi.

Il risultato comunque e’ che avere un motore a impulso variabile consente di offrire un parametro in piu’ da ottimizzare ad ogni istante di tempo di una ipotetica traiettoria, e questo in ultima analisi consente di avere traiettorie piu’ efficienti (piu’ veloci a parita’ di propellente o con meno consumi a parita’ di tempo).

Insomma, l’altro grosso vantaggio della VASIMIR rispetto ad altri motori a ioni, oltre alla scalabilita’, e’ proprio il fatto di essere a Isp variabile.

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L’effetto Orberth è il motivo per cui, in una manovra per aumentare il semi-asse maggiore, conviene sempre effettuare uno sparo al perigeo.
Inoltre c’è un altro motivo per cui conviene avere spinte elevate: le perdite gravitazionali.
Se infatti non si considera la fasatura, il momento migliore per affettuare un manovra per cambiare il perigeo è un impulso all’apogeo e viceversa. Per non avere perdite gravitazionali gli spari dovrebbero essere impulsivi e applicati esattamente all’apogeo (perigeo) perché la variazione di velocità non avrebbe componenti lungo il raggio. In caso di spinte finite il deltaV deve essere spalmato su un arco sempre più grande quanto più bassa è la spinta. Quindi una spinta elevata, magari meno efficiente perché con Isp più basso, potrebbe risultare nel bilancio generale più economica di un motore con più alto Isp perché avrebbe perdite minori.
Qui sto parlando in generale e non del caso specifico del VASIMIR, di cui non conosco il funzionamento in maniera approfondita.

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pare un logico buon esempio di divulgazione.

in particolare per coloro non molto pratici dell’ argomento ci sarebbe molto da riflettere su:

//Del resto tutta l’astrodinamica e’ piena di fenomeni anti intuitivi. //

fenomeni anti intuitivi per il semplice logico motivo che non appartengono alla
quotidianità della vita umana come potrebbe essere pedalare una bicicletta o
guidare un’ automobile e che comunque in natura, entro ed oltre l’ orbita della Terra,
sono sempre esistiti e sempre esisteranno.

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Ho parlato con il mio professore riguardo alle strategie ottimali di trasferimento orbitale utilizzando un VASIMIR.
Supponendo che il comportamento si del tipo P=costTc, dove c è l’impulso specifico, T la spinta e P la potenza disponibile, la strategia ottimale prevede che, quando sia necessario spingere, la spinta avvenga a potenza disponibile massima.
Se non vengono considerate perdite gravitazionali, per una data missione la minimizzazione della massa di propellente equivale alla minimizzazione dell’accelerazione al quadrato. Questo significa che dato un DeltaV ideale, bisognerà avere una accelerazione media costante e questo valore di accelerazione dipenderà dal tempo di missione. Più è basso, più occorrerà una accelerazione media elevata.
Avere una accelerazione media costante significa che la spinta dovrà essere più alta all’inizio della missione e man mano che la massa diminuisce si può abbassare la spinta ed aumentare l’impulso specifico.
La situazione si complica in caso di perdite gravitazionali, in quanto dove le perdite gravitazionali sono più alte (quando l’astroneave è lontana dagli apsidi) l’accelerazione deve essere più bassa.
Dal punto di vista di dinamica del volo quindi avere un impulso specifico variabile sembra avere i propri vantaggi in quanto permette di avere una migliore gestione del propellente.
Sarebbe interessante valutare, su una stessa missione, con stesso generatore di potenza, quanto propellente risparmierebbe un VASIMIR rispetto ad un altro tipo di motore elettrico, quali sarebbero le masse finali considerando il diverso tipo di propulsore.