La frontiera finale del congelamento: le scoperte criogeniche della NASA
La gestione dei fluidi criogenici da parte della NASA mira a garantire il successo dell’esplorazione spaziale umana prolungata, in particolare per le missioni Artemis e oltre. Stabilire operazioni sostenute sulla Luna e su Marte presenta una moltitudine di opportunità e sfide che la NASA deve ancora affrontare. Molte di queste attività richiedono nuove tecnologie e processi per garantire che l’agenzia sia pronta per le sue ambiziose missioni Artemis e quelle future.
Una di queste sfide è lavorare con fluidi criogenici, ovvero fluidi che esistono in uno stato liquido tra i -238 gradi Celsius e lo zero assoluto (-273,15 gradi Celsius). Questi fluidi - idrogeno liquido (il più difficile da gestire), metano e ossigeno – sono vitali per la propulsione delle navicelle spaziali e i sistemi di supporto vitale. I fluidi potrebbero anche essere prodotti in futuro sulle superfici lunari e marziane tramite l’utilizzo delle risorse in situ (ISRU).
L’esplorazione umana nello spazio profondo richiede la conservazione di grandi quantità di fluidi criogenici per settimane, mesi o più a lungo, nonché il trasferimento tra veicoli spaziali o depositi di carburante in orbita e sulla superficie. Ogni aspetto è impegnativo e, fino ad oggi, grandi quantità di fluidi criogenici sono state conservate solo per ore nello spazio. Gli ingegneri che lavorano nel portafoglio di gestione dei fluidi criogenici (CFM) della NASA – guidato dalle missioni di dimostrazione tecnologica all’interno della direzione delle missioni tecnologiche spaziali e gestito presso il centro di ricerca Glenn di Cleveland e il Marshall Space Flight Center di Huntsville, Alabama - stanno risolvendo questi problemi in vista delle future missioni.
“Questo è un compito che né la NASA né i nostri partner hanno mai fatto prima”, ha detto Lauren Ameen, vice responsabile del portafoglio CFM. “I nostri futuri concetti di missione si basano su enormi quantità di fluidi criogenici e dobbiamo capire come utilizzarli in modo efficiente per lunghe durate, il che richiede una serie di nuove tecnologie che superano di gran lunga le capacità odierne.”
Perché un fluido criogenico sia utilizzabile, deve rimanere in uno stato liquido e freddo. Tuttavia, la fisica dei viaggi spaziali – muoversi dentro e fuori dalla luce solare e lunghi soggiorni in bassa gravità - rende complicato mantenere quei fluidi in uno stato liquido e sapere quanto ce n’è nel serbatoio.
Le fonti di calore nello spazio – come il Sole e lo scarico della navicella spaziale - creano un ambiente caldo all’interno e intorno ai serbatoi di stoccaggio causando l’evaporazione o “boiloff”. Quando il fluido evapora, non può più alimentare in modo efficiente un motore a razzo. Aumenta anche il rischio di perdite o, peggio ancora, di una rottura del serbatoio.
Non essere sicuri di quanto gas rimane nel serbatoio non è il modo in cui i nostri esploratori vogliono volare su Marte. La bassa gravità è impegnativa perché il carburante vuole fluttuare - noto anche come “slosh” – il che rende molto difficile misurare con precisione la quantità di liquido e trasferirlo.
“Le missioni precedenti che utilizzavano propellenti criogenici erano nello spazio solo per pochi giorni a causa del boiloff o delle perdite di ventilazione”, ha osservato Ameen. “Quei veicoli spaziali usavano la spinta e altre manovre per applicare forza per stabilizzare i serbatoi di propellente e consentire i trasferimenti di carburante. Durante Artemis, i veicoli spaziali rimarranno in bassa gravità per molto più tempo e dovranno trasferire idrogeno liquido nello spazio per la prima volta, quindi dobbiamo mitigare il boiloff e trovare modi innovativi per trasferire e misurare i propellenti criogenici.”
Il portafoglio CFM della NASA comprende 24 attività di sviluppo e investimenti per ridurre il boiloff, migliorare la misurazione e avanzare le tecniche di trasferimento dei fluidi per la propulsione nello spazio, i lander e l’ISRU. Ci sono quattro sforzi a breve termine che si svolgono a terra, in orbita vicino alla Terra e presto sulla superficie lunare.
Nel 2020, la NASA ha assegnato quattro contratti Tipping Point incentrati sul CFM all’industria americana - Eta Space, Lockheed Martin, SpaceX e United Launch Alliance – per assistere nello sviluppo e nella dimostrazione delle tecnologie CFM nello spazio. Ogni azienda è programmata per lanciare la rispettiva dimostrazione nel 2024 o nel 2025, eseguendo più test utilizzando idrogeno liquido per convalidare tecnologie e processi.
Per migliorare la misurazione, la NASA ha sviluppato misuratori di massa a radiofrequenza (RFMG) per consentire una misurazione più accurata del fluido in condizioni di bassa gravità o bassa spinta. Gli ingegneri fanno ciò misurando lo spettro elettromagnetico, o onde radio, all’interno del serbatoio di una navicella spaziale durante tutta la missione, confrontandoli con simulazioni di fluidi per misurare con precisione il carburante rimanente.
L’RFMG è stato provato in test a terra, voli parabolici suborbitali e sulla Stazione Spaziale Internazionale, e presto sarà testato sulla Luna durante un prossimo volo di Commercial Lunar Payload Services con Intuitive Machines. Una volta dimostrato nell’ambiente lunare, la NASA continuerà a sviluppare e ridimensionare la tecnologia per consentire operazioni migliorate di veicoli spaziali e lander.
I criocooler agiscono come scambiatori di calore per grandi serbatoi di propellente per mitigare il boiloff quando combinati con sistemi di isolamento del serbatoio innovativi. Con partner industriali, come Creare, la NASA ha iniziato a testare sistemi criocooler ad alta capacità che pompano il fluido “lavorativo” attraverso una rete di tubi installati sul serbatoio per mantenerlo fresco. La NASA prevede di aumentare le dimensioni e le capacità del serbatoio per soddisfare i requisiti della missione prima di condurre future dimostrazioni di volo.
La NASA sta anche sviluppando un sistema di liquefazione per trasformare l’ossigeno gassoso in ossigeno liquido sulla superficie della Luna o di Marte per rifornire i lander utilizzando propellente prodotto in situ. Questo approccio utilizza vari metodi per raffreddare l’ossigeno fino alla temperatura critica (almeno -183 gradi Celsius), dove si condensa, trasformandosi da gas a liquido. Lo sviluppo e i test iniziali hanno dimostrato che la NASA può farlo in modo efficiente, e il team continua a ridimensionare la tecnologia a dimensioni e quantità di serbatoi rilevanti per le future operazioni.
In definitiva, gli sforzi della NASA per sviluppare e testare sistemi CFM che siano efficienti in termini di energia, massa e costo sono fondamentali per il successo delle ambiziose missioni dell’agenzia sulla Luna, su Marte e oltre.