Motore 3D stampato dalla NASA: la chiave per le missioni nello spazio profondo?

Secondo il piano attuale di espansione del sistema solare della NASA, la missione Artemis 3 riporterà gli esseri umani sulla superficie lunare intorno al 2025, mentre l’esplorazione di Marte è prevista per la fine degli anni ’30 o l’inizio degli anni ’40. Il motore RDRE, ideato da un team di ingegneri, utilizza la combustione supersonica come metodo per produrre spinta, con l’ulteriore vantaggio di ridurre il consumo di carburante. 

La produzione additiva spaziale entra in una nuova era

Il 2023 si è rivelato un anno promettente per la produzione additiva nello spazio, con l’ESA che ha incluso parti stampate in 3D in un rover lunare e la NASA che ha sviluppato e testato con successo il primo motore a razzo a detonazione rotante in scala reale. Questo razzo dimostra che la tecnologia 3D può produrre sistemi di propulsione idonei per le missioni nello spazio profondo, capace di funzionare per periodi lunghi e resistere a calore e ambienti estremi. L’RDRE risulta dunque essere un sistema rivoluzionario che potrebbe cambiare significativamente il modo in cui vengono costruiti i futuri sistemi di propulsione, aiutando le agenzie governative come la NASA e l’ESA e le aziende private a raggiungere nuovi obiettivi nell’esplorazione dello spazio e di altri corpi planetari. La produzione additiva giocherà quindi un ruolo fondamentale nel prossimo capitolo dell’esplorazione spaziale. 

Il 2023 è appena iniziato, ma già si sta vedendo un grande potenziale per la produzione additiva nello spazio. Grazie al recente successo della NASA con l’RDRE, gli ingegneri stanno sviluppando un RDRE completamente riutilizzabile della classe da 10.000 libbre per esaminare i vantaggi prestazionali rispetto ai motori a razzo liquido tradizionali. L’ESA ha annunciato di aver incluso parti stampate in 3D in un rover che raggiungerà la Luna ad aprile, e ora anche la NASA ha ottenuto un risultato significativo. 

L’uomo ha fatto il suo primo passo sulla Luna oltre 50 anni fa e da allora abbiamo continuato a cercare di esplorare nuovi orizzonti. Sia le agenzie governative come la NASA e l’ESA che le aziende private hanno fatto grandi progressi nell’esplorazione dello spazio e di altri corpi celesti. Il recente test dell’RDRE rappresenta un grande passo avanti nell’avvicinare l’umanità all’obiettivo dell’esplorazione spaziale, e dimostra che la produzione additiva avrà un ruolo importante nella prossima fase di questo viaggio.  L’organizzazione ha sviluppato e testato con successo il primo motore a razzo a detonazione rotante in scala reale (RDRE), che potrebbe rivoluzionare la costruzione di futuri sistemi di propulsione spaziale. Il motore è stato realizzato utilizzando la tecnologia di stampa 3D e ha dimostrato di resistere a temperature e ambienti estremi, rendendolo idoneo per le missioni nello spazio profondo. 

Missione Artemis 1: il futuro dell’esplorazione spaziale umana

Il successo della missione Artemis 1, una missione spaziale senza equipaggio, ha segnato l’inizio di una nuova era di esplorazione umana nello spazio profondo. Il prossimo obiettivo è il ritorno sulla Luna, seguito dal viaggio verso Marte, che richiederà circa 10 mesi con la tecnologia attuale. In questo contesto, il motore a razzo a detonazione rotante rappresenta una tecnologia rivoluzionaria, testata e convalidata dalla NASA, che offre maggiore efficienza rispetto ai motori a razzo tradizionali, grazie alla sua capacità di produrre una combustione supersonica e risparmiare carburante, aumentando la capacità di carico. I test effettuati presso il Marshall Space Flight Center della NASA nel 2022 hanno dimostrato la resistenza del motore al calore estremo e alla pressione generata dalle detonazioni, producendo una spinta massima di 1,8 tonnellate. Il prossimo passo sarà lo sviluppo di un motore di classe superiore con una spinta di circa 4,5 tonnellate, per avvicinare questa tecnologia a un futuro utilizzo concreto. In un recente aggiornamento, i funzionari della NASA hanno annunciato il completamento dei test del “motore a razzo a detonazione rotante“, che utilizza la combustione supersonica a risparmio di carburante per generare spinta. 

Il motore sfrutta una forma di combustione ad aumento di pressione, in cui una o più detonazioni si muovono attorno a un preciso canale anulare. Anche se gli esperimenti sono ancora in fase iniziale, gli esperti dell’agenzia prevedono che versioni migliorate della tecnologia potrebbero essere impiegate in missioni robotiche o di lander con equipaggio sulla luna o su Marte. Coloro che sostengono l’esplorazione spaziale ritengono che sia necessario ripensare radicalmente i viaggi a lunga distanza, sia in termini di carburante che di tempo, al fine di ampliare l’impronta dell’umanità su Marte e oltre. 

La NASA cerca di ridurre il tempo di viaggio verso Marte

Attualmente, il viaggio verso il Pianeta Rosso richiede da sei a nove mesi grazie alla tecnologia di propulsione attuale. Ciononostante, la NASA ha posto l’obiettivo di rendere il viaggio più veloce e sicuro per gli astronauti, pertanto sta concentrando la sua ricerca per trovare modi per ridurre il tempo di transito. Inoltre, l’agenzia sta collaborando con la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) nello sviluppo di una propulsione termica nucleare come opzione potenzialmente ultraveloce, con l’obiettivo di dimostrare un tale sistema nello spazio entro il 2027. 

In futuro, la NASA potrebbe includere il motore a razzo a detonazione rotante tra le sue attrezzature per l’esplorazione. Test recenti effettuati presso il Marshall Space Flight Center della NASA in Alabama hanno comportato l’accensione del motore più di 12 volte su un supporto, per un totale di quasi 10 minuti. Il test dell’RDRE ha raggiunto il suo obiettivo principale dimostrando che l’hardware costruito con la stampa 3D può funzionare per lunghi periodi di tempo nonostante sia esposto a temperature e pressioni estremamente elevate prodotte dalle detonazioni. 

L’RDRE è stato in grado di generare oltre 4.000 libbre di spinta per quasi un minuto mantenendo una pressione della camera di 622 libbre per pollice quadrato, la pressione nominale più alta mai registrata per questo progetto. Per raggiungere questo, l’RDRE utilizza la lega di rame sviluppata dalla NASA, chiamata “GRCop-42“, insieme al processo di produzione di additivi per fusione a letto di polvere, consentendo al motore di funzionare in condizioni estreme per periodi di tempo più lunghi senza surriscaldamento. Durante il test, sono stati raggiunti traguardi significativi, come l’esecuzione con successo dell’acceleratore profondo e dell’accensione interna. Ciò dimostra che la tecnologia sta progredendo verso l’utilizzo con futuri veicoli spaziali, il che significa che la NASA e le aziende spaziali private potranno trasportare più carichi utili e massa verso destinazioni nello spazio profondo, che è un elemento chiave per rendere l’esplorazione spaziale più sostenibile. 

RDRE stampato in 3D con combustione supersonica

Grazie alla tecnologia di stampa 3D a fusione a letto di polvere e alla lega di rame GRCop-42 sviluppata dalla NASA, il sogno di viaggiare nello spazio potrebbe presto diventare realtà. Il test dell’RDRE è stato un successo senza precedenti, dimostrando la capacità del motore a razzo di resistere al calore e alla pressione estremi generati dalle detonazioni per lunghi periodi. Il motore è stato acceso più di una dozzina di volte e ha prodotto una pressione record di quasi 2 tonnellate di spinta in un minuto.

Questo risultato è un’importante pietra miliare nello sviluppo dei sistemi di propulsione per le missioni spaziali, ma le buone notizie non finiscono qui. La produzione additiva ha dimostrato di essere una tecnologia estremamente utile per lo sviluppo di sistemi di propulsione avanzati, come dimostra il successo del motore RDRE. La NASA spera di utilizzare questa tecnologia per creare futuri veicoli di volo e per l’esplorazione commerciale dello spazio. Ciò potrebbe permettere il trasporto di più carichi e massa, rendendo l’esplorazione spaziale più sostenibile e accessibile.