Samad Firdosy, del JPL, mostra un modulo formato da quattro temocoppie. Crediti: NASA/JPL-Caltech
Viaggiare nello spazio profondo in piena autonomia, sempre più a lungo e sempre più lontano, anche là dove l’energia fornita dal Sole diventa troppo debole, senza ovviamente potersi fermare a fare rifornimento. Questa è una delle sfide che dovrà affrontare, nei prossimi anni, il Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA di Pasadena, in California. «Per andare avanti nell’esplorazione del Sistema solare, abbiamo necessità di un sistema d’alimentazione affidabile e di lunga durata affidabile», dice Jean-Pierre Fleurial, supervisore del team di ricerca del JPL per la conversione dell’energia termica. La risposta al problema potrebbe fornirla un materiale dalle proprietà uniche, la skutterudite, che promette il passaggio a una nuova generazione di batterie nucleari per missioni spaziali: dagli attuali generatori termoelettrici a radioisotopi multi-missione (MMRTG) agli eMMRTG ora in fase di sperimentazione, dove il prefisso ‘e’ sta per enhanced, potenziati.
Il primo RTG lanciato nello spazio dalla Nasa risale al 1961. Gli RTG alimentano le sonde Voyager, lanciate nel 1977, attualmente alla distanza record di 16 miliardi di chilometri. Ma anche molte altre missioni NASA più recenti si reggono sulle batterie nucleari, dal rover marziano Curiosity alla sonda New Horizons, che ha visitato Plutone nel 2015. Le versioni potenziate con la skutterudite sarebbero però in grado di fornire il 25 percento di potenza in più rispetto a quanto facesse, a inizio missione, il generatore a bordo di Curiosity. Inoltre, degradando molto più lentamente dei materiali utilizzati negli MMRTG attuali, al termine dei 17 anni di durata prevista della missione avrebbero almeno il 50 percento di potenza in più. «Un sistema termoelettrico più efficiente significa utilizzare meno plutonio. Potremo andare più lontano, più a lungo, e facendo più cose», dice Sabah Bux, tecnologa del JPL.
Struttura di una cella unitaria di skutterudite
Il principio di funzionamento è sempre lo stesso, ed è quello della termocoppia: dispositivi in grado di convertire una differenza di temperatura in differenza di potenziale elettrico. Ce ne sono in ogni casa: misurano la temperatura dei nostri forni, controllano il calore dell’acqua dei nostri termosifoni. Ma come generatori di energia elettrica non sono il massimo: la corrente prodotta da una termocoppia domestica è irrisoria. Quelle a base di skutterudite che stanno mettendo a punto alla NASA sono invece efficientissime. Questo grazie al fatto che le skutteruditi si comportano come i metalli quanto a conducibilità elettrica, ma come il vetro quanto a conducibilità termica. E generano una quantità considerevole di energia elettrica. «Avevamo necessità di progettare componenti per le alte temperature con la migliore combinazione possibile quanto a capacità di trasferimento elettrico e termico», spiega Bux, «e le skutteruditi, con la loro complessa struttura composta da atomi pesanti, come l’antimonio, possono rispondere alle nostre esigenze».
Sabah Bux nei laboratori del JPL. Crediti: NASA/JPL
Di termocoppie, l’MMRTG a bordo di Curiosity ne monta 768, tutte disposte attorno a un’unica struttura centrale, la sorgente di calore. Nei generatori eMMRTG di nuova generazione il numero di termocoppie resta identico, ma cambia il materiale, che diventa appunto a base di skutteruditi.
«Per ottenere questi risultati, sono richieste modifiche minimali rispetto al progetto degli attuali MMRTG», dice Fleurial. E un gruppo di circa due dozzine di persone del JPL è già intento a studiare questi materiali d’avanguardia e a mettere alla prova i prototipi delle nuove termocoppie. Il primo collaudo NASA è stato superato alla fine del 2015. Ce ne saranno altri due, nel 2017 e nel 2018, e se tutto va bene il primo eMMRTG sarà pronto per volare a bordo prossima missione del programma New Frontiers della NASA.
Guarda l’animazione del JPL sui sistemi di alimentazione eMMRTG (in inglese):