Sveglia, è pronto il caffè…sulla Luna!

Come faranno gli esploratori a farsi un buon caffè bollente nella loro fredda postazione lunare? Niente paura, ci pensa la NASA

Vi siete mai chiesti come potreste gustarvi un buon caffè a colazione su un altro pianeta, o magari proprio sulla Luna? Una bevanda fumante sarebbe davvero utile nelle gelide mattine lunari.

Ma con poco sole, senza carbone o legna da ardere, e senza acqua fluente come fonte di energia idroelettrica, come si potrebbe preparare un caffè, tanto meno cucinare la colazione, riscaldare le abitazioni, e far funzionare i dispositivi e gli strumenti necessari per vivere e lavorare lassù? La NASA, con in mente la futura postazione lunare, si sta ponendo le stesse domande.

rappresentazione artistica di FSP

rappresentazione artistica dell’impianto FSP

Esiste più di un modo per generare elettricità sulla Luna. La “fissione superficiale” (Fission Surface Power) è una delle possibilità che la NASA sta considerando. Se si sceglierà questa via, potrebbe essere un motore inventato all’inizio del 1800, dai fratelli scozzesi Robert e James Stirling, a rendere possibile l’impresa.

I fratelli Stirling erano così orgogliosi della loro creatura che gli diedero il loro nome, e a ragione. Negli anni il motore Stirling, quell’efficiente e affidabile “piccolo motore che può” – come lo definivano – si è guadagnato una reputazione di primo piano qui sulla Terra, e un giorno potrebbe provare il suo valore anche sulla Luna.

“Gli abitanti di una postazione lunare avranno bisogno di un metodo rapido e sicuro per generare luce, calore ed elettricità,” dice Mike Houts del Marshall Space Flight Center. “Il buon vecchio motore Stirling ha tutte le carte in regola. Non solo è affidabile ed efficiente, ma anche versatile e pulito.”

La NASA sta collaborando con il Dipartimento dell’Energia al fine di sviluppare una tecnologia “a fissione superficiale” per produrre calore e alimentare un motore Stirling, che a sua volta convertirebbe il calore in elettricità ad uso degli esploratori lunari.

Non è certo che la NASA adotterà questo approccio, tuttavia le qualità della soluzione sono davvero allettanti. Spiega Houts: “Un vantaggio considerevole di questo sistema è che il suo funzionamento non richiede l’energia solare. Un impianto elettrico a fissione superficiale potrebbe fornire energia in qualsiasi momento, ovunque, sulla Luna, o su Marte. Può essere utilizzato vicino o lontano dai poli, permetterebbe di sopravvivere alla fredda notte lunare e funzionerebbe benissimo in luoghi sempre in ombra, come i profondi crateri. Non lo fermerebbero nemmeno le vorticose tempeste marziane di polvere che oscurano la luce del sole”

Schema FSP

Sopra: Rappresentazione di Un sistema di energia a fissione superficiale.
Clicca sull’immagine per i dettagli. Credits: Mike Houts/NASA.

Per una postazione lunare, sarebbero sufficienti solo 40 kW di potenza, o anche meno.

“E’ un livello elevato di energia per lo spazio, ma estremamente basso per gli standard terrestri,” dice Houts. “E’ circa ventimila volte inferiore di quello di un comune reattore usato sulla terra. Sulla Luna sarebbe sufficiente un piccolo reattore, la porzione alimentata sarebbe larga solo 25 cm e lunga 45”.

Sarebbe in grado di fornire una maggiore potenza con minor massa rispetto ad altri sistemi di produzione di energia. L’intero impianto – radiatore, motore Stirling e reattore messi uno sopra l’altro – occuperebbe solo una piccolissima parte del modulo lunare.

Prima di realizzare l’impianto definitivo, Houts e il suo gruppo stanno eseguendo test con energia non-nucleare, per dimostrare che l’idea è praticabile.

“Stiamo eseguendo prove nel vuoto termico per capire come gestire e controllare il sistema sulla Luna,” dice Houts. “Usiamo riscaldatori a resistenza per simulare il calore nucleare. La resistenza elettrica produce calore.”

Se i test dimostreranno la fattibilità del sistema, il gruppo potrebbe iniziare a crearne uno vero e proprio,” traendo importanti insegnamenti dall’esperienza con i reattori terrestri.

Impianto installato nella regolite lunare

Sopra: Rappresentazione artistica di un sistema a fissione di superficie immerso in regolite lunare.

“Sarebbe realizzato in acciaio inossidabile e alimentato con ossido di uranio, un’accoppiata comune nei reattori terrestri di tutto il mondo e quindi ben conosciuta da scienziati e ingegneri.”

Il dispositivo non sarebbe in funzione al momento del lancio, ma verrebbe azionato una volta raggiunta la superficie lunare, circondato da schermi per prevenire eventuali danni prodotti dalle radiazioni emesse.

“Sarebbe una soluzione molto sicura,” ritiene Houts. “E la cosa più bella di questo sistema è che praticamente sarebbe autoregolante.”

Funzionerebbe in questo modo: Il reattore contiene al suo interno un groviglio di piccoli tubi pieni di uranio. All’esterno del reattore si trovano tamburi di controllo, un lato di ciascun tamburo riflette i neutroni, l’altro lato li assorbe, permettendo così di controllare il tasso al quale i neutroni in fuga dal nucleo del reattore vengono reinseriti all’interno. Per avviare il dispositivo, il lato assorbente di ciascun tamburo di controllo viene rivolto nella direzione opposta al nucleo del reattore, cosicché il materiale riflesso è diretto verso l’interno e spinge i neutroni in fuga di nuovo nel nucleo. Il conseguente aumento di neutroni disponibili permette una reazione a catena che si autosostiene, generante calore.

Un agente refrigerante (mix di sodio e potassio) scorre attraverso i canalini tra un tubo e l’altro, acquisisce il calore termico prodotto dall’uranio reagente e lo trasferisce al motore Stirling. Il motore Stirling poi compie la magia generando elettricità. Nel frattempo il refrigerante, che ha “scaricato” parte del suo carico (calore) al motore Stirling, viene fatto circolare attraverso il nucleo del reattore, dove assorbe calore ed è pronto a ripetere il ciclo.

Il sistema utilizzerebbe una quantità minuscola di carburante – 1 kg di uranio per ogni 15 anni – pur conservando sufficiente reattività per decenni.

“La sua durata prevista è però di 8 anni, perché qualcos’altro si guasterebbe prima dell’esaurimento del carburante.”

Dopo la chiusura del sistema, la radiazione emessa si ridurrebbe rapidamente. Un impianto sostitutivo potrebbe venire installato facilmente nello stesso luogo.

Dopo tutto, ci potrebbe essere un gran bisogno di caffè lassù!

tradotto da: http://science.nasa.gov/headlines/y2009/15may_stirling.htm

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21 Commenti

  1. E’ praticamente un mini reattore nucleare raffreddato a metalli liquidi…che storia! Magari avranno modo di utilizzarlo i fortunati e invidiati 6 nuovi astronauti ESA annunciati ieri a Parigi…tra i quali un italiano e finalmente anche un’italiana!

  2. @francesca
    bell’articolo!! ma se ho capito bene il funzionamento questo dispositivo è in grado di produrre elettricità per piccoli fabbisogni? a parte l’utilizzo dell’uranio, sarebbe possibile rirpodurlo o modificarlo per generare maggiori quantità di energia? magari lo hanno già fatto o è successo il contrario…scusami ma non conosco queste informazioni
    grazie

  3. Francesca, molto interessante! Almeno un buon caffè, per i primi abitatori della Luna ci vorrebbe!
    Ti vorrei chiedere: sapevo che fino a qualche anno un grave problema per la sopravvivenza dell’uomo nello spazio, era l’assenza di gravità che provoca la decalcificazione delle ossa. La NASA per ovviare a questo problema, stà sviluppando dei medicinali? la scarza gravità che c’è sulla Luna, e su Marte, basterà, o anche quì l’uomo andrà incontro al problema della decalcificazione delle ossa?

  4. @Stefano

    eheh mi piacerebbe ma…dopo la laurea di nucleare non ho più visto nemmeno un neutrino…faccio tutt’altro ormai! Ma cercherò comunque in qualche modo di tenermi aggiornato! 😉

  5. Per limitare i danni da microgravità sarà importante fare moto -un pò come quaggiù- e integrare gli elementi necessari con una corretta alimentazione, ma da quel che ne so, in ogni caso una lunga permanenza oltre l’atmosfera e la gravità terrestri causerebbe in ogni caso delle modificazioni importanti nell’organismo umano, tanto da dover temere (sempre a patto di riuscire a proteggersi adeguatamente dall’elevatissimo livello di radiazioni che c’é nello spazio) che a un certo punto non si sarebbe più in grado di sostenere un rientro sulla Terra.
    Un libro illuminante e anche semplice da leggere è “Viaggiare nello spazio” di N. Comins per Kowalski. Lo consiglio.

    A Proposito di Luna: sabato puntata dedicata all’esplorazione lunare di Ulisse di P. e A. Angela. Niente a che fare con Jakob e jakobini, spero un buon livello di divulgazione.

  6. @Baol

    Fare moto nello spazio è importante ma non è sufficiente, soprattutto ipotizzando missioni future a lungo termine. Il problema è che l’assenza di gravità non permette al calcio che abbiamo in corpo di fissarsi alle ossa, per questo che la permanenza in orbita provoca una vera e non trascurabile decalcificazione… Infatti si sta studiando anche una SAHC (Short Arm Human Centrifuge) da portare a bordo della ISS proprio per fare ricerca in questo settore, usando la gravità artificiale come “countermeasure” alla decalcificazione ossea.

  7. Sfruttando la forza centrifuga…fai girare un uomo attorno ad un centro (una vera e propria centrifuga) e in base al raggio e alla velocità con cui lo fai girare puoi fare in modo che su di lui agisca una certa accelerazione (con una determinata intensità e una determinata direzione) che sul corpo umano provoca gli stessi effetti fisiologici che provoca la forza di gravità. In base a quanto veloce decidi di centrifugarlo puoi anche fare in modo che lui “senta” la gravità marziana (1/3 g), piuttosto che la gravità lunare (1/6g) piuttosto che la gravità terrestre.

  8. Una domanda forse sciocca e da profanissimo: ma questo tipo di minireattori quali garanzia di sicurezza danno e sarebbe possibile e sicuro usarli anche qui sulla Terra?

  9. @ francesca
    decisamente interessante sapere cosa bolle in pentola dalle parti della luna… o meglio nella caffettiera 😆

    ho avuto solo qualche problema con le didascalie della figura in inglese…. anche perchè ho anche qualche problema con la termodinamica……… non c’è che dire , sono proprio una donna problematica! 😆 😆 😆

    scherzi a parte è decisamente interessante!!!!! 😉

  10. @Mario

    da quanto leggo è un normale reattore a fissione come tutti quelli che ci sono oggigiorno sulla terra, ma anzichè essere raffreddato ad acqua è raffreddato a metalli liquidi (come i reattori “veloci”, che usano neutroni appunto “veloci”)…per ragioni di compattezza credo. Le tecnologie però, a parte il diverso modo di assorbire/riflettere i neutroni sembrano le stesse. E’ semplicemente un reattorino in miniatura, fondato sullo stesso principio di funzionamento quelli di potenza esistenti, con design e tecnologie innovative.

    Per quanto riguarda la seconda domanda, credo non vengano utilizzati sulla terra semplicemente perchè sarebbero inutili…40 KW di potenza vuol dire che ci vorrebbero decine di migliaia di reattori a paese, il che non avrebbe senso.

  11. Grazie mille ragazzi, comunque preciso che io sono solo la umile traduttrice del brano tratto da science@NASA! 🙂
    Molto interessante la questione dei problemi fisici legati all’assenza di gravità!
    @Lampo:
    Una domanda stupida: ma per quanto tempo può essere “centrifugato” un astronauta? Immagino/spero non per un periodo prolungato! Test di questo tipo sono sufficienti a simulare la permanenza nello spazio per lunghi periodi? Mi informo anch’io!

    Grazie a tutti

    Fra

  12. Complimenti per l’ articolo, molto interessante, alla fine ha un senso il maestro De Laurentis quando in materia di caffè specifica: “sulla terra eh!..” a proposito di Luna, proprio adesso stavo leggendo che l’astronauta Duke si trova a Rovereto in Trentino, ha parlato di un ritorno sulla Luna e di risorse del tipo Elio-3 introvabile sulla Terra, servirebbe per la fusione nucleare, per chi fosse interessato posto quì il link http://notizie.it.msn.com/curiosita/articolo.aspx?cp-documentid=147488228
    ciao,

  13. Lampo: allora avevo capito bene. Un pò come le stazioni spaziali immaginate negli anni ’50 e ’60, una specie di rotella per criceti! Però bisognerà farla piuttosto grande, per evitare problemi di claustrofobia, e forse senza finestrini, per non far venire il mal di male agli astronauti…
    Non so, ma nella mia ignoranza, lo vedo adatto più come sistema per realizzare astronavi per lunghi viaggi, che per una stazione permanente su un altro corpo celeste.

  14. @Francesca

    le centrifughe umane attualmente esistenti (circa una ventina in tutto il mondo) servono per addestramento, certificazione e training di astronauti, ma soprattutto di piloti di veivoli ad alte prestazioni. I piloti di “high performance aircrafts” arrivano ad esser centrifugati anche fino a 9g, ma fortunatamente solo per pochi secondi, un minuto al massimo…proprio perchè questi aerei permettono delle manovre che sottopongono il piolta ad accelerazioni fino a 9g appunto, che è un’esagerazione! Tanti piloti sono morti in passato proprio a causa del G-LOC, ovvero il G Induced Loss Of Counsciousness, e l’addestramento in centrifuga serve ai piloti sia per abituarsi a queste accelerazioni sia per imparare alcune tecniche (come le anti-G Straining Maneuvers) per far fronte alle accelerazioni stesse.
    Gli astronauti invece per quanto potenti siano i vettori Shuttle e Soyuz non arrivano a queste accelerazioni, lo Shuttle in rientro arriva solamente a 1.8g mentre la Soyuz attorno ai 4-5g se non sbaglio, quindi il tipo di training per loro è ben diverso.
    Lo scopo delle centrifughe di cui stavamo parlando prima è diverso, servono infatti per dare un pò di gravità al corpo umano per evitare fenomeni appunto come la decalcificazione delle ossa, e il tempo massimo di centrifugazione non è dato dalla resistenza della persona (che non verrebbe centrifugata a valori superiori alla gravità terrestre) ma + che altro a problemi di nausea dovuti alle forze di Coriolis che in queste centrifughe così compatte darebbero molto fastidio (perchè l’uomo è molto vivino al centro di rotazione, in quelle terrestri invece il raggio della centrifuga è di vari metri)

    Su queste però non ti so dire di + proprio perchè ci si sta studiano ora in previsione dei futuri viaggi di lunga dirata…quindi non si sa ancora molto.

    @Baol

    Bravo, esattamente come ruote per criceti! Però i problemi di claustrofobia non sono determinanti, gli astronauti sono più che abituati a questo dovendo vivere mesi in moduli cilindrici in cui lllo spazio abitabile è molto ristretto…idem per quando riguarda i finistrini! Sulla ISS praticamente non ci sono finestre, salvo un piccolo oblò dalla parte russa da cui guardare fuori…fortunatamente per loro però l’anno prossimo a Febbraio verrà lanciato Nodo3 con CUPOLA e quindi avranno a disposizione una vera e proprio finestra che permetterà loro di affacciarsi e guardare terra e spazio…(quanto li invidio 😥 )

    L’ultima cosa che hai scritto è vera, infatti adesso si stanno studiando soprattutto in previsione di lunghi viaggi, quindi per affrontare il viaggio stesso, questa è assolutamente la priorità! Poi si potrà anche pensare a delle centrifughe per stazioni permanenti su altri celesti, ma per ora la priorità è sicuramente il viaggio.

  15. Lampo, molto interessante! Certamente queste centrifughe saranno indispensabili, se in futuro l’uomo dovrà stazionare nello spazio per lunghi periodi.

  16. Grazie, troppo gentili! 😉
    Ste cose le so semplicemente perchè ci sto lavorando sopra da qualche mese a questa parte…fino all’anno scorso pensavo le uniche centrifughe esistenti fossero quelle delle lavatrici! :mrgreen:

  17. innanzitutto articolo veramente molto interessante, finalmente un pò di cose concrete si son messi a studiare questi della NASA per farci staccare da questo nostro sassolino in caduta libera sul sole…interessanti anche i commenti, questo sito è spettacolare anche perchè ogni articolo si arricchisce della conoscenza di tutti…
    però io avrei una domanda forse un pò ingenua, se qualcuno potesse rispondermi…
    insomma ho studiato il motore Stirling in termodinamica e so più o meno come funziona, ma a quanto ho capito ha un rendimento molto minore rispetto a un eventuale motore di Carnot che lavora tra le medesime temperature…ora, considerato che di ingegneria non ci capisco una mazza, come mai non si è scelto di utilizzare un motore che sfrutti un ciclo di Carnot anzichè un ciclo di Stirling?
    mi scuso di nuovo magari la risposta è scontata ma sono anche andato a rileggermi le parti del libro di fisica a riguardo e non sono riuscito a venirne a capo… 😳
    non ditelo ai miei prof… :mrgreen:

  18. è la prima volta che capito su questo sito e vi devo fare i miei complimenti, molto bello e gli articoli interessantissimi!!! Continuate così! 🙂