AEROSPAZIO

Balle spaziali rotanti

La nuova frontiera dei lanci spaziali low cost è fuffa?

A prima vista, parrebbe l’uovo di colombo, la soluzione semplice e poco costosa a tutti i problemi complessi e costi attualmente collegati ai lanci spaziali tradizionali e a proporla è la startup californiana Spinlauch (https://www.spinlaunch.com/).
E l’uovo di colombo è… la fionda, quella rotante usata da Davide per sconfiggere Golia per intenderci.
L’idea prevede di accelerare un razzo con un movimento rotatorio in un’enorme centrifuga dal diametro di 151 metri in vuoto pneumatico, accelerandolo per un’ora sino a raggiungere una rotazione di 2.235 metri al secondo facendogli raggiungere una velocità di Mach 7, per poi rilasciarlo attraverso un’apposita apertura rivolta verso il cielo, sfruttando la velocità ottenuta per raggiungere un potenziale apogeo e Delta-V sufficiente per un volo suborbitale. A quel punto interverrebbe un motore tradizionale che da li in poi spingerebbe il razzo in orbita consentendogli di collocare satelliti sino ad un peso massimo di 200kg ad una frazione del tradizionale costo per la messa in orbita con razzi tradizionali.
Il concept dalla carta è passato ai fatti con la realizzazione di una centrifuga in scala 1/3, il cui lancio di test è stato celebrato con il rilascio di questo video.

Ma siamo sicuri che tale concept tecnologico sia percorribile? Trattasi di un lampo di genio o dell’ennesima fuffa in campo tecnologico? I dati rilasciati da Spinlaunch sono pochi, ma vediamo di utilizzarli ragionandoci su per capire quali siano le problematiche collegate alla realizzazione di tale marchingegno.

Cominciamo dicendo che questa centrifuga spaziale deve operare nel vuoto pneumatico e quindi è necessario che questo cilindro venga mantenuto a zero atmosfere da una pompa abbastanza potente per garantirne il vuoto. Del cilindro sappiamo il diametro (150 metri) ma non conoscendone l’altezza e guardando i disegni rilasciati ci sembra ragionevole ipotizzare almeno 5 metri. Trattasi quindi di un cilindro che ha un volume di almeno 88.357 metri cubi.

Ammesso che esistano pompe pneumatiche capaci di garantire il vuoto per un volume così grande e per un periodo così lungo, si affaccia un secondo problema ovvero quello relativo al fatto che la rotazione indotta elettro-magneticamente avvenga necessariamente appoggiandosi a cuscinetti meccanici a sfera che per la loro conformazione naturale sono elementi tutt’altro che a tenuta atmosferica. 
Chiariamo: il rapporto tra una sfera e il cubo che la contiene è descritto come π/6 quindi il volume che contiene tutte le sfere di un cuscinetto a sfera è per il 52,3% composto da spazi vuoti, da qui la poca utilizzabilità in un simile progetto.
Potreste obiettare che l’intero sistema di cuscinetti potrebbe essere entro contenuto nel cilindro-fionda, ma così non è: ecco un fermo immagine del video di presentazione che mostra chiaramente come la rotazione sia indotta da un albero e da un motore esterni al cilindro stesso.

Certo, per risolvere il problema si potrebbe utilizzare la levitazione magnetica entro contenendo nel cilindro tutto il meccanismo di accelerazione ma allora l’intera fionda spaziale avrebbe un costo di realizzazione e gestione pari a quello degli acceleratori di particelle del CERN.Il secondo problema è quello relativo all’integrità del razzo e del suo payload. Esso infatti durante il processo di accelerazione verrebbe sottoposto a forze G-laterali per un periodo di un’ora, calcoliamole insieme quindi:

Certamente in campo tecnologico tutto è possibile (o quasi), però risulta difficile credere che oggi esista la tecnologia per creare l’involucro del razzo, l’avionica, il gruppo motore, il serbatoio del carburante ed infine il satellite in esso contenuto capace di sopportare una forza G-laterale pari a 6.745 G. Attenzione è un punto, non una virgola, i G sono seimilasettecentoquarantacinque.
Ma ammettendo che tale tecnologia esista in qualche bunker sotterraneo dell’area 51, ecco comparire il terzo problema ovvero la responsività del meccanismo di rilascio del razzo, che per garantirne la traiettoria in uscita dalla centrifuga a quelle velocità deve poter operare in microsecondi mentre anch’esso è sottoposto a 6.745 G. 
Nel video celebrativo di Spinlaunch il problema è molto evidente. Il lancio inaugurale è avvenuto a con velocità di poco superiori a Mach 1, eppure da questo fermo immagine si vede in modo evidente come il razzo esca dalla centrifuga sbilanciato lateralmente.
Anche pochi millesimi di grado di sbilanciamento laterale introdurrebbero in un percorso di ascensione retta lungo decine di chilometri un errore angolare che una volta raggiunto l’apogeo potrebbe far trovare il razzo decine di chilometri fuori dalla traiettoria ottimale. E come tutti sanno, le correzioni delle traiettorie spaziali costano carburante e più carburante a bordo significa minor capacità di trasporto per il carico spaziale.

Guardate bene i due fermo immagine affiancati: a sinistra il razzo sta per uscire dalla centrifuga e per farlo buca un apposito sigillo elastico. A destra il razzo non è ancora uscito del tutto ma la sua coda è già sbilanciata di qualche decina di gradi rispetto al punto in cui ha perforato il sigillo.
Diamo per risolvibile anche questo problema ed arriviamo al quarto: nel momento in cui il razzo dovesse uscire alla velocità programmata di Mach 7, esso da una situazione di vuoto pneumatico si troverebbe di fronte ad un muro di aria che a quelle velocità si comporterebbe come si comporta l’acqua quando uno sfortunato paracadutista dovesse trovarsi a precipitare a velocità terminale, ovvero “soli” 220km/h: in quel caso l’acqua diventerebbe un muro di cemento. Analogamente il razzo appena uscito dalla centrifuga si troverebbe a dover affrontare una pressione immensa, tant’è che nessun aereo supersonico è attualmente in grado di volare a velocità superiori a Mach 1,2 a livello del mare. 
Certo, i bombardieri stealth americani raggiungono e superano i Mach 3, ma lo fanno a 25 chilometri d’altezza dove l’atmosfera è solo 0,05 ovvero venti volte inferiore a quella a livello del mare e nel farlo, il loro muso raggiunge una temperatura di 300 gradi.
La struttura del razzo, i suoi componenti ed il suo carico dopo aver sopportato 6.745 G laterali per un’ora si troverebbero a dover subire anche una decelerazione longitudinale istantanea dovuta all’impatto dell’atmosfera con la punta del razzo ed il relativo calore sviluppato.

C’è però un quinto problema legato al bilanciamento del braccio che rotea nella centrifuga. Sappiamo bene quanto il bilanciamento sia importante, non appena uno pneumatico della nostra automobile risulta sbilanciato ecco che tutto il sistema dello sterzo viene assalito da fastidiose vibrazioni. Immaginiamoci quello che potrebbe succedere alla centrifuga il cui braccio si muove a Mach 7 nel momento in cui viene sganciato il missile che insieme al suo  payload, struttura e carburante arriva certamente a pesare qualche tonnellata. 
Vediamone un assaggio in questo video, dove un rotore viene fatto girare sbilanciato a velocità ben inferiori a quelle di Spinlaunch e con pochi grammi di peso di sbilanciamento.

Sesto problema: la sicurezza. Quando un tradizionale razzo viene lanciato, se dovesse accadere qualcosa di storto subito dopo il lancio ecco che vengono fatti intervenire i sistemi di autodistruzione. E’ per quello che il sito di lancio viene evacuato per un raggio di 5 miglia.
Ma in quel caso, il razzo è appena partito e non ha ancora raggiunto la sua massima velocità.
Nel caso di Spinlaunch invece il razzo raggiunge la sua massima velocità quando è ancora dentro la centrifuga. Se qualcosa dovesse andare storto e il razzo dovesse sganciarsi al suo interno non in perfetta corrispondenza del tunnel di uscita, avremmo un proiettile del peso di alcune tonnellate che viaggiando a Mach 7 distruggerebbe la centrifuga e pezzi di essa e del razzo verrebbero proiettati in un’ area ben superiore alle 5 miglia. 
Di quanto superiore? Vediamolo insieme anche in questo caso, 

Dovremmo quindi evacuare una zona il cui raggio è pari a 509 chilometri.



Trattasi quindi di un progetto destinato a rivoluzionare l’industria dei lanci spaziali oppure di mere balle spaziali?
Al lettore l’ardua sentenza.


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