Come SpaceX rifornirà i suoi veicoli spaziali in orbita

Nel campo dell’esplorazione spaziale, ogni progresso tecnologico apre nuove prospettive sui limiti di ciò che possiamo realizzare. In questa continua ricerca per espandere la nostra presenza oltre il nostro pianeta, SpaceX si posiziona in prima linea con un progetto ambizioso: collegare due veicoli spaziali in orbita per una dimostrazione di rifornimento, un passo cruciale che potrebbe mettere la Luna alla nostra portata.

Perché rifornire di carburante una nave in orbita?

Da diversi anni SpaceX collabora con la NASA al programma Artemis che mira a riportare gli esseri umani sulla superficie lunare per la prima volta dal 1972. Con un contratto per fornire due veicoli spaziali con capacità umana per i primi due astronauti che atterrano sulla Luna, SpaceX si presenta così in prima linea nell'esplorazione lunare.

Una delle chiavi di questo progetto risiede nel capacità delle astronavi di fare rifornimento nello spazio. Questo approccio è motivato da diversi fattori. Innanzitutto, consente ridurre la massa del veicolo al decollo, e quindi facilitarne l'ascesa fuori dall'atmosfera terrestre. Una volta in orbita, le navi potranno essere rifornite con carburante aggiuntivo, che aumenterà la loro autonomia e la loro capacità di svolgere missioni più lunghe o distanti, come prendere di mira la Luna.

Infine, lo consentirà anche una capacità di rifornimento in orbita maggiore flessibilità nella pianificazione delle missioni. Fornendo punti di rifornimento nello spazio, i veicoli spaziali possono infatti essere riforniti di carburante lungo il percorso, consentendo loro di adattare la propria traiettoria o destinazione in base alle esigenze della missione.

A lungo termine, potrebbe anche essere possibile estrarre e raffinare risorse sulla Luna, su Marte o su altri corpi celesti per produrre carburante lì, riducendo così la dipendenza dalle forniture terrestri e aprendo la strada a un’esplorazione spaziale più sostenibile e autonoma.

Una prima dimostrazione l'anno prossimo

Naturalmente, il trasferimento del carburante in orbita rappresenta una sfida tecnologica significativa. Gli ingegneri devono progettare sistemi affidabili in grado di immagazzinare, trasferire e gestire combustibili criogenici in condizioni estreme, garantendo al tempo stesso la sicurezza delle operazioni spaziali.

Inoltre, il successo del rifornimento in orbita dipende anche dalla precisione e dall’affidabilità delle manovre di avvicinamento e di attracco tra i veicoli spaziali. Queste operazioni devono essere eseguite in modo autonomo e sincrono senza intervento umano diretto, richiedendo sofisticati sistemi di navigazione e controllo. Mai prima d'ora era stata tentata un'operazione del genere, il che sottolinea l'audacia e l'ambizione degli attuali progetti spaziali di SpaceX, che ha chiaramente compreso la sua importanza capitale per il futuro dell'esplorazione spaziale.

Sappiamo che la NASA e SpaceX avanzare nei loro sforzi per dimostrare l'efficacia della tecnologia di rifornimento di carburante della Starship in preparazione al ritorno degli esseri umani sulla Luna. Amit Kshatriya, il responsabile del programma « Moon to Mars » della Divisione Esplorazione della NASA, ha recentemente presentato il piano di SpaceX durante un incontro con un comitato del comitato consultivo dell'agenzia. L'azienda dovrebbe provarlo prima dimostrazione del trasferimento di propellente su larga scala tra due navi in ​​orbita il prossimo anno.

Comprendere il comportamento dei propulsori

Prima di poter effettuare il rifornimento in orbita, gli ingegneri dovranno capire come si comportano i fluidi nello spazio, in particolare in microgravità. Per fare ciò, utilizzeranno i futuri voli per studiare il movimento dei propulsori all'interno della nave e osservare la pressione dei serbatoi. Queste osservazioni saranno essenziali in particolare per capire come i fluidi reagiscono agli impulsi provenienti da piccoli propulsori. E non a caso, in condizioni di microgravità, quest'ultimo fornirà una spinta stabilizzante necessaria per indirizzare correttamente il liquido verso l'uscita, facilitando così il processo di rifornimento.

Gli ingegneri monitoreranno anche i tassi di evaporazione del metano e dell'ossigeno liquido nello spazio. Nel corso del tempo, i liquidi criogenici passano effettivamente allo stato gassoso senza isolamento o altre misure per prevenire l'evaporazione.

Un bersaglio e un cacciatore

Per la prima dimostrazione di rifornimento su larga scala, SpaceX dovrà lanciare circa due veicoli spaziali tre o quattro settimane di distanza. Il primo sarà un veicolo bersaglio. Questo velivolo avrà un sistema di alimentazione potenziato e una maggiore capacità della batteria per rimanere nello spazio abbastanza a lungo per il lancio del veicolo da caccia, un veicolo spaziale che fungerà da nave cisterna per il rifornimento. Le due navi coinvolte nella dimostrazione di rifornimento disporranno inoltre di isolamento termico e di una camicia sottovuoto attorno alle tubazioni interne per limitare l'evaporazione.

Secondo Kshatriya, il piano attuale prevede che SpaceX utilizzi un’unica piattaforma di lancio per questi due voli. Si noti, tuttavia, che quando la NASA e SpaceX saranno pronte per l’atterraggio sulla Luna, diverse petroliere Starship decolleranno da almeno due piattaforme di lancio per consolidare i booster in un deposito per rifornire la navicella spaziale diretta sulla Luna.

Pancia a pancia

I due veicoli spaziali si collegheranno autonomamente, pancia a pancia, mentre voleranno a poche centinaia di chilometri sopra il pianeta. Nelle future missioni Starship che prendono di mira destinazioni nello spazio profondo come la Luna, questa manovra di attracco e il processo di rifornimento verranno ripetuti più volte per fornire al veicolo abbastanza carburante per spingersi fuori dall'orbita terrestre.

Naturalmente, attraccare due navi insieme non sarà facile. Se SpaceX potrà contare sulla propria esperienza nel far volare le capsule Dragon verso la Stazione Spaziale Internazionale, si tenga presente che le cisterne saranno sempre cariche di propellente. Tuttavia, ogni manovra volta ad avvicinare le due navi potrebbe causare sbattimenti all'interno dei serbatoi. Ciò potrebbe introdurre forze impreviste di cui il sistema di navigazione dovrà tenere conto durante il rendezvous.

Una volta riunite, le due navi si collegheranno utilizzando le stesse porte utilizzate da SpaceX per caricare i propulsori sulla rampa di lancio. Successivamente, SpaceX metterà a punto la pressione del serbatoio e i propulsori stabilizzatori antincendio. A questo punto le chiuse potranno aprirsi. I propulsori fluiranno da un veicolo all'altro utilizzando a differenza di pressione, o “delta”, tra il serbatoio donatore e il serbatoio ricevente. Questa è una soluzione più semplice che affidarsi alle pompe.

I risultati di questa dimostrazione di rifornimento permetteranno agli ingegneri di SpaceX e della NASA di sapere quanto propellente andrà perso durante l'ebollizione per sapere quante navi cisterna di rifornimento devono lanciare per una missione di atterraggio lunare di Starship. La stima attuale di SpaceX è di circa dieci lanci di rifornimento per una missione di atterraggio di Artemis, ma i margini di errore sono ancora ampi.