Lo Space Shuttle Challenger esplode poco dopo il decollo. Si vede il booster di sinistra continuare la sua corsa. Crediti: NASA
Sono passati poco più di 30 anni dal disastro dello Space Shuttle Challenger, ma quella tragedia continua a ispirare studi ed esperimenti per rendere più sicuri i voli spaziali. L’ultimo in ordine di tempo viene da un gruppo di ricerca, facente capo al centro di ricerca Ames della NASA, che sulla rivista Applied Physics Letters ha illustrato i risultati di un’approfondita analisi su come si comportano le goccioline di idrogeno quando bruciano all’interno di miscele idrogeno-ossigeno.
I razzi lanciatori moderni utilizzano generalmente miscele idrogeno-ossigeno come propellente, una combinazione che è tuttavia altamente esplosiva. La catastrofe dello space shuttle Challenger è risultata associata anche con l’autocombustione di tale miscela.
La mattina del 28 gennaio 1986 lo Space Shuttle Challenger, decollato con 7 astronauti per la sua decima missione dal Kennedy Space Center di Cape Canaveral, in Florida, si disintegrò 73 secondi dopo il lancio sotto gli occhi atterriti degli astanti e del pubblico che seguiva la diretta televisiva. Una platea più vasta del solito, rispetto agli ormai usuali decolli dello Shuttle, perché a bordo si trovava anche l’insegnante Christa McAuliffe, che sarebbe dovuta “salire in cattedra” sul Challenger per una lezione di scienze via satellite con studenti di tutto il mondo.
A distruggere il Challenger non fu propriamente un’esplosione, ma un cedimento strutturale conseguente il malfunzionamento di una guarnizione nel segmento inferiore del razzo a propellente solido destro. Una guarnizione mal progettata che, come stabilì la celebre commissione presidenziale d’inchiesta a cui fu affidato il compito di risalire alle cause dell’incidente, aveva perso la sua elasticità a causa delle temperature insolitamente gelide registrate nelle ore precedenti il lancio.
L’illustre fisico Richard Feynman, componente della commissione presidenziale d’inchiesta, mostra in una celebre conferenza stampa come una guarnizione simile a quella del Challenger perda la sua elasticità se immerse in acqua gelata
La rottura della guarnizione, sollecitata da raffiche di vento particolarmente forti, provocò una fuoriuscita di fiamme dal booster che causarono un cedimento strutturale del serbatoio esterno contenente idrogeno ed ossigeno liquidi. A quel punto le tremende forze aerodinamiche dell’ascesa sbriciolarono la navicella, eccetto la cabina, più robusta, che precipitò in mare assieme agli sfortunati occupanti, alcuni dei quali forse erano ancora vivi al momento dell’impatto con l’acqua. Si deve invece all’incendio dell’idrogeno e dell’ossigeno liquidi, venuti a contatto nel collasso del serbatoio centrale, la palla di fuoco che nelle immagini del disastro circonda la fusoliera ormai a brandelli.
Tornando al nuovo studio della NASA, in esso si valuta come il rischio di esplosione di una miscela idrogeno-ossigeno possa venire mitigato da una spruzzata di goccioline d’idrogeno. I principali processi fisici coinvolti in questo tipo di combustione sono una velocissima evaporazione esplosiva delle goccioline di idrogeno liquido conseguente al riscaldamento radiativo dal gas ambientale, seguita da una lenta combustione dell’idrogeno gassoso.
«Siamo rimasti molto sorpresi da questa estrema differenza di tempistica», dice Michael Khasin, ricercatore senior e vice capo del gruppo di fisica applicata presso lo Ames Research Group della NASA. «Ci aspettiamo che questi processi, che probabilmente furono responsabili dell’esplosione del Challenger, si verifichino all’interno della camera di combustione dei razzi a combustibile idrogeno-ossigeno liquido».
Khasin e colleghi hanno anche scoperto che si verificano differenti meccanismi di combustione, a seconda della dimensione delle goccioline d’idrogeno. «Un’applicazione di questo risultato è che possiamo ottimizzazione i sistemi d’iniezione dei motori a combustione dei razzi», aggiunge Khasin, il quale è anche convinto che i modelli numerici sviluppati dal suo gruppo possano aiutare a risolvere una vasta gamma di problematiche legate all’evaporazione delle goccioline di liquido criogenico e alla loro combustione.
Come passo successivo, il gruppo di ricerca intende mettere alla prova le proprie scoperte in condizioni di microgravità, «un processo importante per la gestione sicura ed efficiente del combustibile criogenico in missioni nello spazio profondo», conclude Khasin.
Per saperne di più:
- Leggi su Applied Physics Letters l’articolo “Radiation-stimulated explosive evaporation and burning of hydrogen droplets in hot aerosol mixtures”, di V.V. Osipov, M.P. Marcgenko e M. Khasin.