La propulsione nucleare è la tecnica di utilizzare l' energia nucleare per una propulsione spaziale più potente, più efficiente o lontana da una stella che fornisce luce per i pannelli fotovoltaici.
La densità di energia delle reazioni nucleari (fissione, fusione, annichilazione materia-antimateria) è da 10 7 a 10 9 maggiore di quella delle reazioni chimiche. Ciò consente di prevedere enormi miglioramenti nell'impulso specifico dei sistemi di propulsione. L' ideale , infatti, può essere espresso in funzione di questa densità: dove l'impulso è in secondi e la densità in kJ / g.
Tuttavia, ci sono innumerevoli difficoltà tecniche nell'accoppiamento efficiente dell'energia nucleare con il fluido propellente espulso dal motore del veicolo spaziale. Ad esempio, un razzo chimico azionato da un motore RL-10 operante sulla miscela LOX / LH2 recupera in energia cinetica oltre l'80% dell'energia ideale della reazione chimica tra i propellenti. Nessun concetto di propulsione nucleare raggiunge questa efficienza.
Inoltre, nel caso della propulsione nucleare termica (NTP) o elettrica (NEP), la densità energetica complessiva (energia relativa alla massa di tutto ciò che viene espulso) è molto lontana dall'ideale perché questa energia viene utilizzata per riscaldare o accelerare un grande quantità di liquido. D'altra parte, questo difetto non si applica ai concetti di propulsione che espelle solo i prodotti della reazione nucleare in gioco.
Propulsione nucleare termica (NTP) | L'energia rilasciata da un reattore nucleare a fissione riscalda un propellente (solitamente LH2 ) espulso attraverso un ugello |
Propulsione radioisotopica | Stesso principio della propulsione nucleare termica, tranne per il fatto che la fonte di calore non è una reazione a catena di fissione , ma la disintegrazione spontanea di un isotopo radioattivo |
Propulsione per frammenti di fissione | Sfrutta direttamente la velocità dei nuclei risultante dalla fissione nucleare |
Propulsione nucleare pulsata | La spinta è ottenuta dallo scoppio di esplosioni sequenziali di cariche di fissione o di fusione, il formato di queste cariche elementari va dalla bomba atomica al pellet fuso per confinamento inerziale |
Propulsione termonucleare | Espelle i prodotti di una reazione di fusione continua attraverso un ugello magnetico |
Il campo della propulsione elettrica nucleare (NEP), in cui un reattore nucleare serve solo come fonte di energia per fornire propulsori ionici, tecnicamente riguarda solo la propulsione elettrica .
Tuttavia, alcuni concetti di veicoli utilizzano la propulsione bimodale : le manovre in forti campi gravitazionali (vicino ai pianeti) che richiedono un elevato rapporto spinta / peso vengono eseguite utilizzando la propulsione nucleare termica. Fuori dal pozzo gravitazionale, nei transiti interplanetari, il reattore nucleare opera a velocità inferiore, a ciclo chiuso con radiatore e turbina producendo la potenza destinata al funzionamento di un migliore propellente elettrico .
Questo tipo di ibridazione può combinare tutti i tipi di propulsioni nucleari ed elettriche. L'approccio più comune è quello di accoppiare un reattore a nucleo solido del tipo NERVA con propulsione ionica. Il guadagno fornito dipende fortemente dalla natura della missione del veicolo perché si basa su un compromesso tra la spinta forte / impulso debole della modalità NTP (rapporto T / W> 0,1 e ≈ 900 s) e la modalità spinta debole / forte CIP impulso (T / W <10 −3 , da 2000 a 5000 s).
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Un modo per aumentare ulteriormente la spinta di un motore nucleare è quello di effettuare una sorta di " post-combustione " iniettando ossigeno nell'ugello. L'applicazione più nota è il LANTR ( LOX Augmented Nuclear Thermal Rocket ) immaginato da S. Borowski e che utilizza l'ossigeno prodotto sulla Luna (LUNOX). Questa spinta aggiuntiva va a scapito dell'impulso specifico .
L'ovvio vantaggio di questa capacità di variare la spinta è quello di poter combinare il rapporto peso / spinta e l'impulso specifico in modo ottimale in base alle fasi della missione del veicolo (in particolare decollo lunare, iniezione o espulsione dall'orbita terrestre).