Dalla catapulta fino ai missili intercontinentali, per l’uomo è sempre stato fondamentale sia nelle guerre che in diversi hobby, lanciare oggetti a grandi distanze.
Una startup statunitense ha sviluppato un sistema per il lancio di oggetti nello spazio. Cerchiamo di scoprire insieme la loro tecnologia alternativa, anche grazie all’articolo di focus https://www.focus.it/scienza/spazio/catapulta-spaziale-funziona
Spinta, combustibili e altri lavori di Natale
La spinta sembra forse una cosa banale, ma dietro l’applicazione di questo concetto vi sono una miriade di studi ingegneristici. Partiamo con il dire una cosa: la spinta non è altro che la trasmissione di energia cinetica ad un oggetto. Per meglio dire, è quel fenomeno in cui noi spendiamo energia per far muovere qualcosa. Che sia un proiettile, un auto o un mobile di casa, il principio è sempre lo stesso: fornire energia per avere un movimento. I modi in cui questo viene fatto sono i più svariati. Prendiamo l’esempio più semplice. Siete in vena di cambi d’arredamento in vista del Natale, e cominciate a spostare il mobilio a destra e a manca. Spostando un mobile, ad esempio, state dando una spinta a questo oggetto. In termini migliori, state trasformando l’energia dei vostri muscoli in energia cinetica del mobile. Una volta vinto l’attrito del mobile con il pavimento, questo comincerà a muoversi. D’altronde se non lo facesse, si chiamerebbe immobile, no? Battute a parte, questo è uno dei più elementari esempi di spinta. Andiamo su qualcosa di più complesso: una catapulta. Anche una fionda va bene, si intende. Posizionate un bel masso sul piatto del trabiccolo e tirate tirate tirate fino a tendere il più possibile il braccio della catapulta. A quel punto lo lasciate andare: se lo avete teso abbastanza il masso prende il volo. Avete trasformato l’energia elastica del braccio della catapulta o dell’elastico della fionda in energia cinetica del masso. L’energia cinetica è proporzionale alla massa e alla velocità al quadrato, questo significa che maggiore è la massa dell’oggetto, a parità di velocità, maggiore sarà la sua energia cinetica. Questo vuol dire che più un oggetto è grande e più ho bisogno di energia per spingerlo o lanciarlo a una data velocità. Prendiamo ora un esempio più complesso: la propulsione. Nel momento in cui sono alla guida della mia macchina sto trasformando l’energia chimica contenuta nel combustibile, o l’energia elettrica nel caso in cui io guidi una macchina elettrica, in energia cinetica della mia automobile. Questo avviene grazie al motore e agli ingranaggi presenti all’interno del veicolo. Per quanto riguarda macchine più complesse come possono essere gli aerei o le astronavi, la situazione si complica.
La “fionda spaziale”
Questo articolo di Focus ci illustra come una rivoluzionaria start-up americana voglia utilizzare il meccanismo semplice della catapulta per lanciare oggetti nello spazio. L’aerospaziale non è nuovo al riutilizzo di meccanismi “classici” per le missioni spaziali. Esiste ad esempio un effetto chiamato “fionda gravitazionale”, che viene usato per indirizzare sonde e astronavi verso altri pianeti o direzioni ben precise. Questo meccanismo deve il suo nome al parallelismo con la fionda che siamo abituati a vedere in mano i bambini. Quando infatti un’astronave si avvicina ad un pianeta viene influenzata dal suo campo gravitazionale: quello che accade è letteralmente un effetto fionda, ossia l’energia gravitazionale del pianeta che indirizza verso la direzione desiderata l’astronave o la sonda. Stiamo quindi ancora parlando di un trasferimento di energia per ottenere una spinta. Per quanto riguarda questa rivoluzionaria idea, il meccanismo prevede la trasformazione di energia magnetica in energia cinetica. “Obiettivo dell’azienda è ora quello di costruire una piattaforma ancora più grande, che permetterà di mandare in orbita carichi fino a 200 kg all’interno di capsule riutilizzabili. Il nuovo spazioporto sarà probabilmente costruito lungo la costa e potrà effettuare decine di lanci al giorno, dato che la centrifuga non richiede particolari allestimenti o preparazioni tra un volo e l’altro” dice l’articolo di Focus sopracitato. Il funzionamento di questa fionda è infatti legato alla forza centrifuga. Questa forza apparente, chiamata così perché varia in base all’osservatore, è la stessa che sentiamo spingerci verso i lati della macchina quando siamo in curva. Il meccanismo è destinato ad avere diverse evoluzioni e, secondo la NASA, sarà un importante passo per il trasferimento di oggetti dalla terra alle sue vicinanze cosmiche. Le start-up diventano sempre più importanti nell’ecosistema ingegneristico mondiale, a sostegno della teoria che incoraggiare i giovani verso curiosità e ricerca sia un ottimo modo per sviluppare la nostra civiltà e ottenere un mondo migliore.
Propulsione e capolavori dell’ingegneria
Per quanto riguarda astronavi e missili, la questione combustibile si complica enormemente. Le sostanze chimiche utilizzate non sono più solo gasoli e benzine. Per queste applicazioni si usano infatti solitamente delle “coppie” di sostanze. Una delle più affascinanti è la coppia ossigeno idrogeno. In questa coppia l’idrogeno funge da combustibile mentre l’ossigeno da comburente. Una volta dato il giusto innesco, proprio come quando accendiamo il fornello di casa e il gas comincia a bruciare, una reazione chimica comincia a consumare l’idrogeno e l’ossigeno, previamente mescolati con frazioni stabilite, in modo tale da rilasciare il maggior quantitativo di energia possibile e al contempo non avere alcun tipo di residuo né di ossigeno né di idrogeno. Nonostante l’energia sprigionata sia esorbitante il problema di questi carburanti sono le condizioni in cui essi lavorano. È necessario infatti che, ad esempio, sia l’idrogeno sia l’ossigeno siano allo stato liquido: questo equivale a dire che si ha bisogno o di temperature estremamente basse o di pressioni estremamente alte. Spesso e volentieri vengono usate entrambe queste tecniche per raggiungere la condizione voluta, in quanto si tratta di valori molto differenti da quelli ambientali a cui siamo abituati. Un altro combustibile molto usato nel aerospaziale è l’idrazina. Questo composto è estremamente esplosivo e viene usato in coppia con il tetraossido di diazoto. La reazione tra i due è estremamente violenta, e viene detta “ipergolica”. Sono diverse le coppie combustibile-comburente ipergoliche utilizzate per la propulsione aerospaziale, ma il principio di base resta sempre lo stesso: una reazione chimica violentissima che libera un enorme quantitativo di energia. Per riuscire a sfruttare questi combustibili al meglio e al contempo avere delle astronavi sicure e sempre più performanti, c’è bisogno di un connubio tra ingegneria aerospaziale, meccanica, chimica ed elettronica. In particolare le prime due sono fondamentali per quanto riguarda struttura e studio del moto dell’astronave, sia dentro che fuori dall’atmosfera. L’ingegneria chimica diventa invece importantissima per il corretto stoccaggio dei combustibili, il raggiungimento e il mantenimento in sicurezza delle condizioni indesiderate, e la ricerca di nuove tipologie di propulsione. In questo campo si sta facendo strada lo studio della cinetica chimica all’interno dei plasmi. Il plasma è un particolare stadio della materia in cui le particelle sono ionizzate e si raggiunge solo a temperature estreme. Per quanto riguarda invece l’elettronica, l’avanzamento nella ricerca della trasmissione dei segnali e dei sensori è fondamentale per avere il controllo costante sulle apparecchiature. Ancora una volta quindi capiamo come sia importante la collaborazione fra diversi ambiti, allo scopo di avere una tecnologia sempre più avanzata e più sicura.
