La NASA e la Cina hanno in programma di organizzare missioni con equipaggio su Marte nel prossimo decennio. Mentre questo rappresenta un enorme salto in termini di esplorazione spaziale, presenta anche significative sfide logistiche e tecnologiche.
Per cominciare, le missioni possono essere lanciate su Marte solo ogni 26 mesi quando i nostri due pianeti si trovano nei punti più vicini nella loro orbita l'uno all'altro (durante una "Opposizione"). Utilizzando la tecnologia attuale, ci vorrebbero dai sei ai nove mesi per transitare dalla Terra a Marte.
Anche con la propulsione nucleare-termica o nucleare-elettrica (NTP / NEP), un transito unidirezionale potrebbe richiedere 100 giorni per raggiungere Marte. Tuttavia, un team di ricercatori della McGill University di Montreal ha valutato il potenziale di un sistema di propulsione laser-termica. Secondo il loro studio, un veicolo spaziale che si basa su un nuovo sistema di propulsione, in cui i laser vengono utilizzati per riscaldare il combustibile a idrogeno, potrebbe ridurre i tempi di transito su Marte a soli 45 giorni.
La ricerca è stata condotta da Emmanuel Duplay, laureato McGill e attuale studente di MSc Aerospace Engineering presso la TU Delft. È stato affiancato dal professore associato Andrew Higgins e da diversi ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica della McGill University. Il loro studio, intitolato "Design of a rapid transit to Mars mission using laser-thermal propulsion", è stato recentemente presentato alla rivista Astronomy & Astronomy.
Negli ultimi anni, la propulsione ad energia diretta (DE) è stata oggetto di notevoli ricerche e interesse. Gli esempi includono il programma Starlight, noto anche come Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration (DEEP-IN) e Directed Energy Interstellar Studies (DEIS) ,sviluppato dal Prof. Phillip Lubin e dall'UCSB Experimental Cosmology Group (ECG). Come parte della ricerca finanziata dalla NASA iniziata nel 2009, questi programmi mirano ad adattare le applicazioni DE su larga scala per le missioni interstellari.
C'è anche Breakthrough Starshot e Project Dragonfly, entrambi emersi da uno studio di design ospitato dall'Initiative for Interstellar Studies (i4iS) nel 2013. Questi progetti richiedono un array laser di potenza gigawatt per accelerare una vela leggera e un piccolo veicolo spaziale a una frazione della velocità della luce (alias velocità relativistiche) per raggiungere i sistemi stellari vicini in decenni, piuttosto che secoli o millenni. Ma mentre questi progetti riguardano lo spazio interstellare, Duplay e i suoi colleghi hanno esplorato la possibilità di un progetto interplanetario.
Come Duplay ha spiegato a Universe Today via e-mail: "L'applicazione finale della propulsione ad energia diretta sarebbe quella di spingere una vela leggera verso le stelle per un vero viaggio interstellare, una possibilità che ha motivato il nostro team per questo studio. Eravamo interessati a come la stessa tecnologia laser potesse essere utilizzata per il transito rapido nel Sistema Solare".
Oltre alla propulsione a vela laser, DE è in fase di esplorazione per diverse altre applicazioni di esplorazione spaziale. Ciò include la trasmissione di energia da e verso veicoli spaziali e habitat permanentemente ombreggiati (ad esempio, il programma Artemis), le comunicazioni, la difesa dagli asteroidi e la ricerca di possibili firme tecnologiche. C'è anche un progetto per un veicolo spaziale laser-elettrico in fase di studio da parte della NASA e come parte di uno studio collaborativo tra l'UCSB ECG e il MIT.
Per questa applicazione, i laser vengono utilizzati per fornire energia agli array fotovoltaici su un veicolo spaziale, che viene convertito in elettricità per alimentare un propulsore ad effetto Hall (motore ionico). Questa idea è simile a un sistema di propulsione nucleare-elettrica (NEP), in cui un array laser prende il posto di un reattore nucleare. Come ha spiegato Duplay, il loro progetto è correlato ma diverso:
"Il nostro approccio è complementare a questi progetti, in quanto utilizza lo stesso concetto di laser phased-array, ma con un flusso laser molto più intenso sul veicolo spaziale per riscaldare direttamente il propellente, simile a un gigantesco bollitore a vapore. Ciò consente al veicolo spaziale di accelerare rapidamente mentre è ancora vicino alla Terra, quindi il laser non ha bisogno di concentrarsi nello spazio".
"Il nostro veicolo spaziale è come un dragster che accelera molto rapidamente mentre è ancora vicino alla Terra. Crediamo di poter persino utilizzare lo stesso motore a razzo alimentato a laser per riportare il booster nell'orbita terrestre, dopo che ha lanciato il veicolo principale su Marte, consentendogli di essere rapidamente riutilizzato per il prossimo lancio". A questo proposito, il progetto proposto da Duplay e dai suoi colleghi è simile a un sistema di propulsione nucleare-termica (NTP), in cui il laser ha preso il posto di un reattore nucleare.
Oltre al DE e al propellente a idrogeno, l'architettura di missione per un veicolo spaziale laser-termico include diverse tecnologie di altre architetture. Come indicato da Duplay, includono: "[A]rray di laser a fibra ottica che agiscono come un singolo elemento ottico, strutture spaziali gonfiabili che possono essere utilizzate per focalizzare il raggio laser quando arriva al veicolo spaziale nella camera di riscaldamento e lo sviluppo di materiali ad alta temperatura che consentono al veicolo spaziale di rompersi contro l'atmosfera marziana all'arrivo".
Quest'ultimo elemento è essenziale dato che non c'è un array laser su Marte per rallentare il veicolo spaziale una volta raggiunto Marte. "Il riflettore gonfiabile è una chiave di altre architetture a energia diretta: progettato per essere altamente riflettente, può sostenere una maggiore potenza laser per unità di area rispetto a un pannello fotovoltaico, rendendo questa missione fattibile con una dimensione dell'array laser modesta rispetto alla propulsione laser-elettrica", ha aggiunto Duplay.
Combinando questi elementi, un razzo laser-termico potrebbe consentire transiti molto veloci verso Marte che sarebbero brevi di sei settimane, qualcosa che prima era considerato possibile solo con motori a razzo a propulsione nucleare. Il vantaggio più immediato è che presenta una soluzione ai pericoli dei transiti nello spazio profondo, come l'esposizione prolungata alle radiazioni e la microgravità.
Allo stesso tempo, afferma Duplay, la missione presenta alcuni ostacoli poiché molte delle tecnologie coinvolte sono all'avanguardia e non sono ancora state testate: "La camera di riscaldamento laser è probabilmente la sfida più significativa: possiamo contenere idrogeno gassoso, il nostro propellente, poiché viene riscaldato dal raggio laser a temperature superiori a 10.000 K e allo stesso tempo mantenere fresche le pareti della camera? I nostri modelli dicono che questo è fattibile, ma i test sperimentali su larga scala non sono possibili al momento perché non abbiamo ancora costruito i laser da 100 MW necessari".
La creazione di un sistema di transito rapido tra la Terra e Marte accelererà la creazione di infrastrutture tra la Terra e Marte. Ciò potrebbe includere una stazione spaziale simile a un Gateway in orbita attorno a Marte, come il Mars Base Camp proposto da Lockheed Martin, così come un array laser per rallentare i veicoli spaziali in arrivo. La presenza di queste strutture accelererebbe anche i piani per creare una presenza umana permanente in superficie.