Il vincitore del concorso SAM 2019 per una borsa di studio universitaria da 1.000 dollari

Il concorso per l'assegnazione di borse di studio universitarie da 1.000 dollari per i materiali avanzati di Stanford del 2019 si è concluso il mese scorso con un numero record di candidature da parte degli studenti. Congratulazioni al vincitore:

Charles Boyle
Università del Texas ad Austin

Ai partecipanti è stato chiesto di scrivere un saggio per condividere la loro esperienza di vita con i materiali avanzati e parlare dell'impatto che avrà in futuro.

Abbiamo ricevuto più di 200 candidature da parte di studenti statunitensi e Charles si è aggiudicato il primo posto. Si è aggiudicato 1.000 dollari per aver condiviso la sua bella esperienza e le sue idee sui metalli refrattari nel saggio, che abbiamo pubblicato qui con il suo permesso:

Charles Boyle

All'inizio del 2018 ho iniziato quella che sarebbe presto diventata l'esperienza più bella della mia vita: uno stage primaverile presso il Green Propulsion Lab del Marshall Space Flight Center della NASA. Durante questo stage, sono stato coinvolto in due progetti principali: la progettazione e la fabbricazione del primo sistema di caricamento monopropellente "verde" a bassa tossicità della NASA per il rifornimento dei veicoli spaziali, nonché la progettazione di un modulo di pressurizzazione per CubeSat ottimizzato per l'interfacciamento con propellenti verdi. Grazie a queste due esperienze, ho acquisito una conoscenza approfondita dei vantaggi dei sistemi di propulsione verde rispetto agli attuali sistemi monopropellente a idrazina, nonché dei problemi che ostacolano l'utilizzo diffuso dei propellenti verdi nelle missioni spaziali.

Dalla mia esperienza alla NASA, ho scoperto che uno dei problemi, se non il principale, associato ai propellenti verdi è semplicemente la temperatura che richiedono per una corretta combustione. I materiali comuni, altrimenti ampiamente utilizzati nelle camere di combustione, non possono sopportare le temperature troppo elevate associate alla decomposizione termica dei propellenti verdi. Nonostante i vari vantaggi che i propellenti verdi offrono rispetto ai monopropellenti tradizionali (minore tossicità, maggiore densità di impulsi, maggiore maneggevolezza), se i materiali comuni non sono in grado di resistere alle alte temperature e/o all'ambiente di combustione ossidativo associato ai propellenti verdi, questi sistemi di propulsione diventano impossibili.

È qui che entrano in gioco i metalli refrattari. Il futuro della propulsione verde risiede nel progresso delle tecniche di produzione dei metalli refrattari (RM). I metalli refrattari come l'iridio e il renio sono di estrema importanza per la progettazione di un propulsore a propellente verde, in quanto sono alcuni dei pochissimi materiali in grado di resistere alle temperature associate alla decomposizione termica sostenuta del propellente verde. Tuttavia, la loro tempestività e i costosi metodi di fabbricazione hanno limitato l'uso dei sistemi di propulsione verde a poche missioni selezionate. Inoltre, l'uso attuale dei metalli refrattari nei sistemi a propellente verde è, per la maggior parte, limitato alla produzione sottrattiva. Le tecniche di produzione additiva associate ai metalli refrattari, come la stampa di ugelli di renio su un letto di stampa DMLS, sono relativamente inesplorate. Pertanto, lo sviluppo di tecniche di produzione sottrattiva RM più economiche e di tecniche di produzione additiva RM affidabili potrebbe cambiare completamente il settore dei sistemi di propulsione satellitare. Queste capacità di produzione di RM consentirebbero ai sistemi monopropellenti verdi di sostituire completamente gli attuali sistemi monopropellenti, come i propulsori a idrazina, che a loro volta ridurrebbero drasticamente la tossicità media dei sistemi propulsivi monopropellenti e aumenterebbero significativamente la loro densità di impulso.

Perché è importante? Nonostante si tratti di una questione tecnica molto specifica nell'ambito delle scienze propulsive, i metalli refrattari avranno un grande impatto sul settore aerospaziale una volta che le tecniche di produzione associate diventeranno più efficienti. Il principale vantaggio offerto dai propellenti verdi è la maggiore densità di impulso, ovvero l'impulso più elevato che i propellenti possono fornire a un veicolo spaziale per unità di volume di propellente. Non si tratta di un dettaglio tecnico di poco conto. Una maggiore densità di impulso potrebbe fare la differenza tra l'accettazione o il rifiuto di una missione innovativa nella sua fase di progettazione. In altre parole, un eccesso di densità d'impulso potrebbe realisticamente essere il fattore finale che consente a una missione di andare avanti e di trasformare in realtà ciò che un tempo era fantascienza.

Ad esempio, la missione che si ritiene essere l'impresa astronautica più critica del prossimo decennio è la missione Mars Sample Return (MSR). L'area della missione che richiede l'ingegneria più avanzata è il Martian Ascent Vehicle (MAV). Il MAV è il veicolo spaziale che solleverà il campione della superficie marziana fino all'orbita marziana. Questo tipo di lancio non è mai stato effettuato prima. La maggior parte dei tentativi di progettare un MAV utilizza sistemi di propulsione solidi, ibridi o monopropellenti per portare il carico utile in orbita, e l'architettura di propulsione proposta per il MAV di solito non è in grado di fornire l'impulso necessario per portare il carico utile in orbita marziana. È proprio in questo modo che l'uso dei metalli refrattari potrebbe portare al successo di una delle missioni più importanti che l'umanità abbia mai compiuto. L'avanzamento delle tecniche di produzione dei metalli refrattari al punto da poterli utilizzare nella progettazione di un sistema di propulsione MAV "verde" e ad alte prestazioni potrebbe consentire il successo di una missione MSR, portando l'uomo un passo più vicino a mettere piede sulla superficie marziana.

Come i brillanti ingegneri aerospaziali che mi hanno preceduto, voglio che i prodotti del lavoro della mia vita lancino uomini e robot oltre l'orbita terrestre, su corpi celesti incontaminati. Per realizzare questo sogno, l'umanità deve prima creare sistemi di propulsione di nuova generazione accessibili e affidabili. I metalli refrattari sono l'elemento chiave che permetterà agli attuali sistemi monopropellente a idrazina di trasformarsi in sistemi di propulsione verde più efficienti e affidabili. Questi sistemi di propulsione verde rivoluzioneranno il campo della propulsione dei piccoli satelliti e consentiranno di raggiungere i grandi obiettivi che l'umanità si pone per il futuro dell'esplorazione spaziale.

Riferimento: Cavender, D. P., Marshall, W. M., & Maynard, A. P. (n.d.). 2018 NASA Green Propulsion Technology Development Roadmap.

Ottimo lavoro, Charles! Ti facciamo i migliori auguri per tutta la tua carriera universitaria e oltre.