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L’incontro tra lo spazio e l’atomo: il generatore a radioisotopi

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Sfuggire al campo gravitazionale terrestre è una sfida energeticamente molto dispendiosa, un limite quasi immediato all’esplorazione spaziale. La complessità delle operazioni e delle missioni spaziali richiede diversi passi in più; i satelliti intorno al nostro pianeta devono poter effettuare delle manovre per ridisegnare o variare la propria traiettoria. E se l’infinitamente grande potesse essere messo in correlazione con l’infinitamente piccolo? In tal senso, il generatore a radioisotopi rappresenta un incontro tra lo spazio e l’atomo.

Le missioni interplanetarie non possono affidarsi semplicemente all’inerzia e alla fionda gravitazionale per eseguire traiettorie perfette; esse necessitano di sistemi di propulsione per compensare errori, semplificazioni e modifiche in corso d’opera della missione; ciò, non servirebbe a niente se non funzionassero le strumentazioni di bordo, essenziali per il raccoglimento e l’invio dei dati alla Terra. Le sonde necessitano perciò di un sistema elettrico che deve essere continuamente alimentato e deve funzionare correttamente durante tutta la missione.

Generatore a radioisotopi: batterie atomiche per la produzione di energia

Per la lunga durata dei viaggi e la richiesta energetica, sonde come Voyager e Cassini erano dotate di un particolare sistema di produzione energetica: una batteria atomica! Non si tratta di un dispositivo elettrochimico, ma piuttosto di un generatore che sfrutta il decadimento radioattivo di alcuni isotopi per produrre energia. In particolare le sonde spaziali usano il Generatore termoelettrico a Radioisotopi, una batteria atomica a convertitore termico.

Il decadimento è un fenomeno fisico in cui atomi, isotopi in configurazioni estremamente instabili, decadono in nuclei a energia inferiore come naturale tendenza alla stabilità. Il decadimento consiste nell’emissione di particelle (decadimenti alpha e beta), o di onde elettromagnetiche ad alta energia (decadimento gamma) attraverso una catena di decadimento che obbedisce naturalmente alle leggi di conservazione della massa e dell’energia.

Tali emissioni sono dette “radiazioni ionizzanti”, perché sono talmente energetiche da riuscire a ionizzare gli atomi, ossia a strappare gli elettroni dall’orbita attorno al nucleo. Gli isotopi si riscaldano durante il decadimento e l’energia termica può essere sfruttata tramite l’effetto Seebeck per generare una differenza di potenziale, esattamente come un normale generatore elettrico, essenziale per il corretto funzionamento di tutti gli strumenti di bordo.

Struttura dell’unità di conversione termica del generatore. La sigla GPHS sta per General Pourpose Heat Source. Fonte: NASA.

Non tutti gli isotopi sono adatti

È essenziale per la missione scegliere i radioisotopi per il generatore nel modo giusto: bisogna calibrare bene la scelta del tempo di dimezzamento con l’energia necessaria per le funzioni del generatore. Queste due caratteristiche, infatti non vanno assolutamente di pari passo, anzi sono inversamente proporzionali: più sarà lungo il tempo di dimezzamento meno energia l’isotopo emetterà.

Inoltre il tipo di radiazione da emettere tramite decadimento deve essere facilmente convertibile in energia termica, e a questo proposito il meglio viene dalle radiazioni alpha, che consistono nell’emissione di un nucleo di elio da quello dell’isotopo radioattivo. Il vantaggio è una più semplice schermatura dalle radiazioni, cosa ben più complessa con i decadimenti beta e gamma (emissione di elettroni) che coinvolgono Raggi X e gamma.

Solitamente gli isotopi che rispecchiano queste caratteristiche sono Plutonio-238, Stronzio-90, Polonio-210, Cobalto-60 e molti altri.

Il pellet di plutonio, fonte di energia del generatore. Source: Deglr6328.

Le Missioni spaziali tramite il generatore a radioisotopi

L’orbiter Cassini della Missione Cassini-Huygens è un esempio di alimentazione tramite generatore a radioisotopi; fu una soluzione vantaggiosa, visto che la traiettoria della missione avrebbe portato la sonda ben al di là delle possibilità dell’utilizzo di energia solare. Nonostante le critiche mediatiche a riguardo della pericolosità di un’esplosione nel corso del lancio per quanto riguardasse il generatore e il materiale radioattivo al suo interno, l’intero modulo è stato progettato al fine di resistere a qualsiasi stress strutturale e termico, grazie allo schermo esterno in grafite. A livello chimico, inoltre, il combustibile fu scelto in una particolare configurazione così da evitare eventuali rotture, ossia in forma di ossido di plutonio.

Le Missioni Voyager sono un’eclatante dimostrazione delle possibilità del generatore. La sonda Voyager 1 è operativa del 1977 e lo resterà fino al 2025, grazie ai tre generatori montati, ciascuno contenente 24 sfere di ossido di plutonio. La potenza emessa al momento del lancio era 470 W, ma il decadimento del plutonio segue un andamento esponenziale secondo il tempo di dimezzamento dell’isotopo, ossia 87.7 anni circa, e la potenza emessa è diminuita significativamente dal momento del lancio.

Cosa ci riserva il futuro?

Il futuro dell’esplorazione spaziale è dietro l’angolo, e la rosa dei campi necessari al suo progresso si allarga sempre di più. L’unione del sapere, la sinergia e la convergenza di tutte le essenze del sapere umano sono la via per sviscerare il significato del tutto e dare un senso all’esistenza dell’uomo, sempre alla ricerca del confine più lontano.

A cura di Luigi Marchese

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