Sez. Ingegneria e Operazioni

Torna Indietro

« Compendio sui Reattori ad Impulso »

In dotazione al Personale Ingegneristico della Flotta Stellare, aggiornato a Luglio 2396

A cura del Commodoro K'Mak, SFC, 2389

I motori a impulso costituiscono la principale forma di propulsione subluminale, essendo in grado di spingere un vascello a considerevole velocità nello spazio normale. In effetti, la velocità che si può raggiungere con la sola propulsione ad impulso è così elevata (i vascelli tattici di ultima generazione come le classi Sovereign, Prometheus e Defiant, combinando la propulsione vera e propria con la deformazione gravimetrica dello spazio possono raggiungere valori prossimi a 0.97c) che le procedure della Flotta Stellare impongono come limite standard "a pieno impulso" la velocità di 0.25c. Anche se è possibile, con gli appositi codici di comando, superare questo limite, una simile manovra si traduce in una elevata dilatazione temporale per il personale a bordo del vascello e, una volta diminuita la velocità, la sincronizzazione dei cronometri di bordo è davvero il minore dei problemi.

Scoperta su Vulcano poco prima dell’Esodo degli 80.000 che diede inizio alla stirpe Romulana, e scoperta sulla Terra agli inizi del XXI secolo nei laboratori di propulsione spaziale dell’allora Unione Europea, la propulsione ad impulso si basa sul principio fisico della inerzia variabile per spingere un vascello ad alte velocità superando la necessità di consumare ingenti scorte di combustibile. Infatti, come sulla Terra venne dimostrato già alla fine del XX secolo, per percorrere anche solo pochi anni luce utilizzando i carburanti disponibili all’epoca - effettivamente o anche solo teoricamente - era necessario utilizzare una massa di combustibile che andava da una quantità superiore all’intera massa dell’universo ad una, nella migliore delle ipotesi, di parecchie centinaia di volte la massa del vascello. Anche volendo tralasciare il problema dei lunghissimi tempi di viaggio - che molte culture all’inizio superano utilizzando navi generazionali o navi con dispositivi criogenici - se pensiamo che un vascello di classe Sovereign ha una massa a vuoto di 3.2 milioni di tonnellate cominciamo a capire come la soluzione dell’espulsione di carburante per ottenere una spinta accettabile sia impraticabile.

Come si diceva, agli inizi del XXI secolo due gruppi di lavoro, uno in Nordamerica e uno in Europa, iniziarono a pensare a ipotesi alternative; partendo dall’assunto che se anche fosse possibile recuperare il carburante espulso per via convenzionale questa manovra non produrrebbe spinta in una direzione a causa della legge di conservazione del moto, gli scienziati europei e i loro colleghi nordamericani cominciarono a cercare un modo di "imbrogliare" la fisica, ragionando sul fatto che se l’inerzia del propellente fosse diversa nelle due direzioni del moto (verso di sé e in allontanamento da sé) allora sarebbe possibile realizzare un sistema di propulsione senza espulsione di massa. La base teorica di questa possibilità risiede nel Principio di Mach, formulato sul finire del XIX dallo scienziato Ernst Mach: "L’inerzia di un corpo (cioè la reazione alla forza che si applica ad un corpo e che viene percepita come resistenza al cambiamento di stato) è causata dalla interazione causale di questo corpo con tutta la materia dell’universo". A metà del XX secolo lo scienziato Dennis Sciama dell’Università di Cambridge cominciò a lavorare sul Principio di Mach, definendo per via matematica la dimensione fisica dell’inerzia.

Alcuni anni dopo, nell’ultimo decennio del XX secolo, James Woodward della California State University riprese in mano il lavoro di Sciama e riuscì a dimostrare – sempre per via matematica – che grazie al Principio di Mach era possibile cambiare in via transitoria la massa di un oggetto: più propriamente, l’Equazione di Woodward dimostrò che al variare dell’energia di un corpo varia la sua densità, e quindi la sua massa, e che per variare l’energia di un corpo è sufficiente applicare energia a questo corpo. Di più: maggiore è l’energia applicata, maggiore diventa la differenza tra densità a riposo e densità energizzata, e la massa tende a diventare tanto minore quanta più energia viene applicata. Una volta che gli scienziati europei dell’ARC riuscirono - nel primo decennio del XXI secolo - a dimostrare la praticabilità di questa teoria, la strada per lo spazio era aperta: nel 2018 la propulsione ad impulso venne definitivamente adottata dalle potenze spaziali dell’epoca, dando l’avvio all’astronautica moderna sulla Terra.

Concettualmente i motori ad impulso utilizzati dalla Flotta Stellare e dalle civiltà note non si discostano da questo principio: sono cambiati i materiali, sono aumentate a dismisura le energie in gioco, ma la base teorica è ancora quella. I motori ad impulso di una nave stellare si basano su 4 sottosistemi: generazione di energia, trasporto del plasma energizzato, bobine di spinta e scarichi vettorizzati. Poiché le bobine di spinta necessitano di energia, ad ogni motore ad impulso sono accoppiati alcuni reattori a fusione di deuterio dedicati. In realtà l’energia di spinta può provenire anche dal nucleo a curvatura, ma si tende ad evitare questo utilizzo per varie ragioni, non ultimo il fatto che gli ingegneri sfruttano il periodo di tempo in cui la nave procede ad impulso per spegnere il nucleo a curvatura ed eseguire le relative operazioni di manutenzione. Una volta che la fusione di deuterio ha prodotto plasma ad alta energia questo, attraverso gli appositi condotti, viene inviato alle bobine di spinta che costituiscono il motore vero e proprio.

Ogni motore è costituito da sei bobine toroidali, divise a metà lungo l’asse orizzontale, composte da una fusione di cortenide di verterio 934 (lo stesso materiale delle bobine a curvatura). Attraversate dall’energia del plasma emesso dai reattori, le bobine hanno l’effetto di ridurre la massa della nave e, nel contempo, di generare un campo di spinta. Il plasma, a questo punto della reazione quasi privo di energia residua, viene quindi incanalato verso l’esterno della nave attraverso gli scarichi vettorizzati. In realtà il plasma scaricato contribuisce molto poco alla effettiva propulsione della nave, ma viene comunque vettorizzato (cioè direzionato) per impedire che imprima al vascello un movimento differente rispetto all’asse di volo.

Impulso e fusione nucleare

La fusione nucleare consiste nell'unione di due nuclei leggeri in un nucleo più pesante. La fusione di due nuclei di idrogeno è la principale reazione che alimenta le stelle (fusione controllata) e viene sfruttata nelle bombe nucleari all'idrogeno (fusione incontrollata). Qualsiasi coppia di nuclei può essere forzata a fondere. Quando questo avviene il nucleo risultante ha troppi neutroni per essere stabile ed i neutroni in eccesso sono espulsi con notevole energia. I nuclei più leggeri, fondendo, producono più energia di quanta non sia servita per innescare la fusione rendendo la reazione esotermica e permettendole di auto alimentarsi.

Nel caso opposto, nuclei pesanti con troppo pochi neutroni sono instabili e finiscono per dare origine al fenomeno di fissione nucleare. Al contrario della fusione, la fissione richiede talmente poca energia che avviene spontaneamente per nuclei sufficientemente pesanti. Questo non avviene invece per la fusione dove anche il nucleo di massa minore, l'idrogeno, richiede una quantità considerevole di energia per fondere. L'energia totale contenuta in un nucleo, cosiddetta “energia di legame”, è notevolmente superiore all'energia che, ad esempio, lega gli elettroni al nucleo. Pertanto l'energia rilasciata nella maggior parte delle reazioni nucleari è notevolmente maggiore di quella delle reazioni chimiche. Ad esempio l'energia di ionizzazione ottenuta dall'aggiunta di un elettrone all'idrogeno è di 13.6 eV mentre l'energia che viene rilasciata dalla reazione D-T (Deuterio-Trizio) è pari a 17 MeV (più di un milione di volte superiore).

Le principali difficoltà che si incontrano nell’avviare una Fusione Calda Controllata dipendono dalle variabili in gioco: densità dei nuclei da fondere e temperatura della miscela sono le principali e quelle più facilmente controllabili. Data la difficoltà che, inizialmente, tutte le civiltà incontrano nella creazione di una fusione nucleare “calda” controllata, di solito si assiste a tentativi di sviluppare una forma di fusione nucleare che operi a temperatura ambiente, la cosiddetta “fusione fredda”, che tuttavia ha una capacità di fornire energia di gran lunga inferiore ad una fusione calda.

L’aumento della densità dei nuclei e della loro energia termica in un luogo circoscritto genera a sua volta il problema del “confinamento”, che può avere tre tipi di risposta: il confinamento gravitazionale, quello inerziale e quello magnetico.

Il confinamento gravitazionale si basa sul principio della reazione di fusione stellare: una massa sufficiente di materia da fondere genera un’attrazione gravitazionale centripeta (verso il proprio centro di massa) che contrasta con la spinta centrifuga generata dalla fusione stessa. Inoltre, è la stessa spinta centripeta a generare la densità sufficiente ad autoalimentare la reazione. Benché questa sia la formula preferibile, in quanto stabile ed autonoma in maniera “naturale”, è anche la più difficile da raggiungere, specialmente per quelle civiltà che non abbiano sistemi di controllo della gravità.

Il confinamento inerziale si basa sul principio dell’onda d’urto o di compressione, che mantiene stabile all’interno di un volume circoscritto la reazione di fusione. Purtroppo, l’unica forza nota in grado di contenere, o quanto meno di indirizzare, una reazione di fusione è una esplosione nucleare (è questo, in effetti, il principio che permette di innescare un’esplosione termonucleare: l’onda d’urto di una piccola testata all’uranio comprime i nuclei – di solito idrogeno - di una ben più grande testata termonucleare, fondendoli), il che all’atto pratico rende inutilizzabile questa teoria.

Il confinamento magnetico, infine, si basa sulla presenza di potenti campi magnetici, di tipo sferico o toroidale, che hanno lo scopo di contenere sia il calore sia il plasma generato dalla fusione.

A bordo della proprie navi, la Flotta Stellare installa abitualmente alcuni reattori a fusione (il numero totale dipende dal tipo di nave e dalla richiesta di energia dei sistemi di bordo) con un duplice scopo: fornire energia quando la produzione del nucleo a curvatura sia insufficiente o non possibile, e fornire plasma per le bobine di spinta dei motori a impulso. I reattori a fusione delle navi della Flotta Stellare sono alimentati dallo stesso deuterio utilizzato dal nucleo a curvatura, preriscaldato prima dell’immissione nel reattore. Il reattore di fusione vero e proprio è una camera sferica, di 6 M di diametro; la parete esterna è composta da otto strati incrociati di excelinide di hafnium, dallo spessore totale di 67.4 cm, mentre internamente si trova una parete di rinforzo in fluoride di gulium cristallino spessa 40 CM. La parete della sfera è attraversata da fori guida per permettere il passaggio del deuterio, degli iniziatori di fusione, del plasma prodotto e dei gruppi di sensori che controllano la fusione stessa.

Il problema del contenimento è stato risolto dalla Flotta Stellare combinando la tecnologia gravitazionale e quella magnetica. In primo luogo, per proteggere la superficie interna della sfera dalle enormi temperature sviluppate dalla fusione, nello stato di gulium cristallino sono annegati migliaia di microemettitori di campo magnetico, che generano uno scudo sferico che, in effetti, impedisce al plasma di toccare le pareti del reattore. Analoghi emettitori sono annegati nei condotti che trasferiscono il plasma verso le bobine di spinta dei motori a impulso e verso la rete EPS. Inoltre, per diminuire la temperatura complessivamente necessaria alla reazione di fusione, e per concentrarla al centro della camera invece che verso le pareti, agli emettitori di campo magnetico sono accoppiati dei generatori di gravitoni ad alta focalizzazione, che incrociano i loro flussi nel centro preciso del reattore, simulando su piccola scala quello che accade al centro delle stelle.

Sui vascelli di classe Sovereign ognuno dei due motori ad impulso posti sul bordo d’uscita della Sezione a Disco è accoppiato a 8 reattori a fusione; poiché ognuno dei reattori a fusione può generare una potenza di quasi 1200 MW, la potenza totale di ogni motore raggiunge quasi i 10.000 MW, più di 3 volte la potenza di spinta dei motori ad impulso di una classe Galaxy, che inoltre ha una massa quasi doppia. Questa enorme potenza di spinta è ciò che contribuisce all’incredibile manovrabilità delle navi di classe Sovereign rispetto a vascelli di dimensioni comparabili.

Oltre ai sedici reattori accoppiati direttamente ai motori ad impulso, un vascello di classe Sovereign ha altri 8 reattori a fusione di deuterio, distribuiti in due gruppi di quattro reattori ciascuno, nello scafo secondario. Normalmente questi reattori hanno la funzione di fornire energia ai sistemi di bordo quando quella prodotta dal nucleo a curvatura non è disponibile, ma la produzione di plasma energetico può essere integralmente indirizzata verso i motori ad impulso. In questo caso, a causa di leggere perdite di potenza lungo il percorso delle guide del plasma, la potenza che arriva ai motori non è tutta quella generata dai reattori, ma si riesce comunque a raggiungere un output di potenza pari al 147% di quello fornito dai soli reattori della Sezione a Disco. Comunque, l’eccesso di plasma in uscita tende a danneggiare gli elementi direzionali di spinta dei motori ad impulso, per cui questo tipo di utilizzo è raccomandato solo in situazioni di emergenza.

Le navi della Flotta Stellare alimentano i propri reattori a fusione con il deuterio contenuto nei serbatoi criogenici che servono anche il nucleo a curvatura; si parla perciò, tecnicamente, di ciclo “Deuterio-Deuterio” (D-D); le navi Klingon utilizzano invece un ciclo D-T (Deuterio-Trizio) che fornisce maggior energia, anche se obbliga ad avere serbatoi separati per i due carburanti. Durante la Guerra del Dominio l’Alleanza ha scoperto che i sistemi alimentati dal ciclo D-T erano immuni agli effetti delle armi a smorzamento di campo utilizzate dai Breen nelle fasi finali del conflitto.

Licenza Creative Commons CC-BY-NC-SA 4.0
Licenza dei Contenuti