I voli sub-orbitali di Elon Musk e la decarbonizzazione dell'aviazione

Un tipo di razzo citato nelle ultime ore da Elon Musk, denominato ironicamente Razzo Fottutamente Grosso (BFR), promette sia spostamenti all’interno del sistema solare sia l’accorciamento dei tempi di viaggio sulla terra, al costo di un biglietto aereo flessibile nella classe economica. Ma come si comporta rispetto alle emissioni degli aerei di linea?

31 motori Raptor forniranno una spinta di 5400kN, circa 174kN di spinta sul livello del mare a motore, permettendo ad una massa di 4400 Mg di staccarsi dal suolo. Foto di proprietà di SpaceX

Il BFR rappresenta il successore sulla carta del sistema di trasporto interplanetario (ITS), annunciato l’anno scorso. Il razzo principale, o primo stadio, utilizza 31 motori Raptor (contro i 42 dell’ITS), e 6 motori Raptor sul secondo razzo o secondo stadio (9 nell’ITS). Queste modifiche rendono il nuovo veicolo spaziale più economico, oltre a garantire comunque una velocità di picco di 7500 metri al secondo, ossia 27mila km/h, e circa 30 minuti per raggiungere qualsiasi capitale sul pianeta.

Motore criogenico o motore ammetano?

I motori criogenici rappresentano quei metodi di propulsione che utilizzano liquidi a temperature sotto lo zero termico per produrre spinta. Fra questi si trova anche il motore a ossigeno-idrogeno liquido (LOX/LH2).
Inizialmente, nel 2009, SpaceX aveva presentato il motore Raptor come motore criogenico. Ricordo che il BFR utilizzerà 31 di queste unità. Nel 2012 gli ingegneri hanno optato per un combustibile basato sul metano. In genere il metano costa meno dell’idrogeno, però produce leggermente meno spinta. Come vedremo più avanti, i due combustibili possono avere qualcosa in comune.

Inquina più un aereo di linea o un volo sub-orbitale alimentato a metano?

In genere le emissioni in ambito spaziale non vengono considerate. Al massimo si considera la tossicità dei reagenti, tipo quelli ipergolici come ad esempio l’idrazina, dato che già qualcuno in passato ci ha rimesse le penne.
Sappiamo che gli aerei di linea funzionano per lo più a kerosene, un distillato del petrolio.
Ora servono i dati per valutare le emissioni di CO₂ erogati dalla combustione di varie fonti, che serve a produrre energia, senza considerare efficienza del motore ed altri ingredienti che allungano l’analisi.

Fonte

Prima di soffermarci sul paragone aereo / volo sub-orbitale, voglio fare un passo indietro e valutare l’impatto ambientale dei due tipi di motore citati nel precedente paragrafo.
Come anticipato più sopra, metano ed idrogeno hanno in comune che spesso l’ultimo lo si produce con una reazione chimica, chiamata steam reforming che parte proprio dal metano. Esistono altri modi per produrre idrogeno, tipo dalla scissione dell’acqua in ossigeno molecolare ed idrogeno molecolare, l’utilizzo di alcuni batteri che digeriscono dei tipi di materiale, con le centrali nucleari, etc. Teniamoci la prima, ossia lo steam reforming, dato che rappresenta il metodo più diffuso stando alle mie conoscenze.
Oltre alle emissioni derivanti dall’estrazione o produzione di metano, vanno aggiunte le emissioni indirette causate dal metodo di produzione di energia che fornisce le condizioni di temperatura e pressione necessarie all’avvenuta della reazione.
Come si osserva, la trasformazione di un combustibile già utilizzabile per il propulsore spaziale a metano, subisce una reazione chimica per diventare idrogeno. Non penso servono calcoli per dimostrare che la produzione di idrogeno produce più emissioni rispetto all’estrazione di metano.

Rimane il confronto fra aereo di linea e volo sub-orbitale. Con l’immagine di sopra si osserva un vantaggio del 30% del metano nei confronti del kerosene. Quindi se si escludono efficienza, resistenze aerodinamiche, etc, i voli sub-orbitali risultano meno inquinanti, a livello di CO₂, rispetto agli aerei di linea. Inoltre non penso che tutte le emissioni avverrebbero o precipiterebbero sulla terra, dato che un po’ di spinta del volo sub-orbitale avviene fuori dall’atmosfera, in condizioni che tralascio.
Non credo proprio che Musk ha proposto la cosa per tentare di decarbonizzare una parte di tratte aeree. Anche perché gli aerei a batteria o funzionanti con combustibili carbon-neutrali manterrebbero più promesse del BFR.

Conclusioni

Con diverse assunzioni, i BFR risulterebbero meno inquinanti, per quanto riguarda una molecola, rispetto agli aerei di linea. Però per ora si tratta di un progetto sulla carta, esistono solo dei test del motore Raptor. Personalmente non capisco questa mossa di Musk su vari fronti. Innanzitutto per diminuire i tempi di percorrenza aveva già lanciato una sfida per Hyperloop. Secondo, viaggiare su un razzo non ha la stessa comodità di viaggiare su un aereo di linea. Accelerazioni molto diverse. In genere chi parte con una Soyuz o qualsiasi altro veicolo spaziale con certe accelerazioni, ha un addestramento di anni. Che tipo di preparazione verrà richiesta ai passeggeri?
Poi, ancora una volta, se già esiste l’opzione Hyperloop, potenzialmente meno inquinante, perché utilizzare un veicolo del genere se altre aziende che possiede hanno come obiettivo di abbattere le emissioni di vari settori?

Risorse

• http://spaceflight101.com/spacex-launch-vehicle-concepts-designs/
• http://economictimes.indiatimes.com/magazines/panache/tokyoto-delhi-in-30-minutes-elon-musk-to-revolutionise-travel-and-colonise-mars/articleshow/60881203.cms