AEROSPAZIO

Elon Musk, il fondo della mia pentola e le navi spaziali

Il preparare gli spaghetti può offrire spunti interessanti

Qualche giorno fa, in procinto di mettere l’acqua a bollire dopo una breve lezioncina di scienza e tecnologia dei materiali, mi sono soffermato più del dovuto sulle piccole incisioni praticate sul fondo della pentola, quattro numeri: 18/10. Lì ho capito che avrei dovuto scrivere qualcosa sulla rivoluzione dell’approccio allo spazio…perché? Scopriamolo.

Una scelta discussa e chiaramente anticonvenzionale è quella che ha contraddistinto ancora una volta la figura eccentrica di Elon Musk, un visionario del nuovo millennio, sempre alla ricerca delle prestazioni migliori, ma come un buon zio Paperone, sempre pronto a non sgonfiare troppo le sue tasche. Da tempo abituati ai lineamenti sinuosi dei design garantiti da materiali compositi a fibra di carbonio, ha modificato l’algoritmo…mai ci si sarebbe aspettati che avrebbe affidato il futuro dello spazio e della rotta marziana ad un AISI 304L, un acciaio che ha molto più da spartire con una comune pentola che con, ad esempio, il suo predecessore Falcon9

Disclaimer: secondo la denominazione italiana ci si riferisce ad un AISI 304 come 18/10…scuserete il mio clickbait, quindi, se invece che su un AISI 304, l’articolo in questione verta invece sul simile 304L, o 18/9, ma, seppur varianti, a livello culinario le loro prestazioni meccaniche non differiscono più di tanto fintantoché l’impiego non rimanga quello di scaldare l’acqua. 

Fortunatamente Musk vi ha trovato una collocazione più elevata.

Parliamo chiaro, la ragione fondamentale che ha spinto Musk a questo cambio repentino di materiale è di natura economica, come lui stesso ha ammesso, ma come non biasimarlo…se ci informiamo un po’ sui predecessori di Starship, le cifre sono rimaste sempre molto inaccessibili, per quanto col tempo ci sia stata una certa inversione di rotta sul costo effettivo di un lancio spaziale.

Il costo di Starship è inferiore al Falcon Heavy, con 90 milioni al lancio, come anche del Falcon-9, di circa 57 milioni di dollari, e del Falcon-1, di 8 milioni di dollari, e, se non bastasse, inferiore anche ad un piccolo Elektron o altri smallsat di 5 milioni di dollari. Al modico prezzo di due milioni di dollari è stato lanciato un bestione con capacità di carico di 150000 kg, più imponente anche del Saturn V. Tutto questo grazie ad una variante dell’acciaio inossidabile utilizzato per le pentole, dal costo di 3 dollari al chilogrammo, rispetto ai 135 dollari al chilogrammo per un composito a fibra di carbonio, per non parlare del tasso di scarto piuttosto alto di quest’ultimo.

Ci sono naturalmente altre ragioni, di natura meccanica, che hanno spinto ad adottare l’AISI 304L. Anzitutto, sebbene il peso nelle strutture aerospaziali ricopra un ruolo cruciale, l’acciaio inossidabile in questione, decisamente più pesante di un composito, presenta potenzialità in termini di resistenza meccanica in ambiente sia criogenico che ad alte temperature da non sottovalutare. 

La maggior parte degli acciai in ambiente criogenico mostra un comportamento fragile, ma ciò non vale per acciai inossidabili che, contenenti per definizione una percentuale in peso elevata di Cromo (almeno 12%) e, in questo caso, poiché austenitici, di Nichel, preservano la tipica duttilità dei metalli ma anche una certa resistenza. Saranno meno probabili casi di cedimento da stress eccessivo in un range di temperature molto al di sotto dello zero, elemento essenziale dato che Starship opera, col motore Raptor, con metano liquido e ossigeno liquido dai -161 gradi Celsius ai -219 gradi Celsius.

Generalmente la scelta più leggera per metalli da applicazione spaziale risulta essere l’alluminio, ma questo solo a temperature criogeniche. Al rientro in atmosfera le temperature diventano molto elevate e, a differenza dei materiali compositi a matrice polimerica termoindurente, che tendono a consumarsi ad alte temperature, l’acciaio inossidabile è molto più affidabile e presenta una temperatura di fusione più elevata.

Proprio per questo, i predecessori presentavano scudi termici, mentre Starship non ne ha minimamente bisogno, o almeno nella sezione SuperHeavy, perché la sezione soprastante tende a lavorare a temperature ancora più elevate. Al posto del solito scudo ceramico, pessimo conduttore termico, vi sono due strati a sandwich di acciaio inossidabile con all’interno acqua che, attraverso minuscoli fori, per traspirazione raffredderà durante il rientro la struttura.

L’ acciaio è più semplice da lavorare e il suo iter produttivo è più rapido. Ciò ha concesso la possibilità di realizzare diverse sezioni cilindriche saldate su un’unica generatrice, la possibilità di attuare più test, la riduzione delle tensioni residue dovute a molteplici saldature ravvicinate (ed eventuali distorsioni/deformazioni), la riduzione di possibili discontinuità legate al processo di saldatura (meno saldature, meno problemi) e una maggiore velocità produttiva.  Veniamo quindi alla differenza iniziale: AISI 304L è la versione Low-Carbon di un AISI 304, che, con minore percentuale di carbonio, minimizza la precipitazione di carburi durante il processo di saldatura evitando spiacevoli corrosioni a “lama di coltello”.

Si prevedono, in ambito di lanci spaziali, costi sempre più accessibili e l’apertura del settore a più realtà produttive, prestazioni termomeccaniche sempre più efficienti e una velocità dei processi produttivi e organizzativi sempre più elevata. 

Detto questo, posso tornare alla mia “pentola in diciotto-dieci”.

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