A Maggio 2020, il progetto Starship di SpaceX progredisce rapidamente. Arrivati ormai al quarto prototipo, un nome è divenuto via via più comune tra gli appassionati e sui siti specializzati: Raptor.
Sebbene a molti queste sei lettere possano riportare alla mente un professore di Hogwarts, in ambito aerospaziale significano una cosa e una sola: il motore sviluppato da SpaceX per Starship.

L’obiettivo di questo approfondimento è fornire una trattazione semplificata, ma non semplicistica, del principio di funzionamento del motore Raptor e, in generale, dei motori spaziali. Dettagliare le caratteristiche di ogni componente richiederebbe probabilmente un intero libro, ma soprattutto trascenderebbe l’obiettivo di questo articolo e di AstroSpace in generale: la divulgazione. In sostanza: se siete alla ricerca di una risposta alla domanda “come funziona il Raptor?” siete nel posto giusto.

Il principio fondamentale

Tutti i motori spaziali si basano sul medesimo principio, espresso dalla terza legge di Newton.

Ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria.

Un motore e la struttura circostante che costituisce il razzo, riflettono esattamente questo principio: un getto orientabile nella direzione desiderata.

Il getto è composto da gas a temperature e pressioni elevatissime. Questi vengono indirizzati nell’ugello, la parte inferiore del motore dalla caratteristica forma a campana, dove la differenza di pressione tra l’interno e l’esterno genera una forza in direzione assiale: la spinta. Quando un razzo si innalza dalla rampa di lancio, all’azione dei gas caldi dentro l’ugello del motore corrisponde una reazione uguale e contraria che lo spinge verso l’alto. Da dove provengono i gas caldi? La risposta va cercata nelle viscere del motore.

L’origine dei gas caldi

Motori come il Raptor di Starship, l’F1 del Saturn V e l’RS-25 dello Space Shuttle, generano spinta mediante l’espansione in un ugello di un’immensa quantità di gas caldi ad alta pressione. Questi gas trovano origine in camera di combustione, mediante l’accensione di combustibile ed ossidante ad alta pressione in arrivo dalle turbopompe.

Le turbopompe sono sostanzialmente dei compressori per liquidi, in grado di accrescere la pressione del fluido che le attraversa. Nei motori spaziali sono fondamentali e ne sono necessarie due: una per il combustibile, l’altra per l’ossidante. Hanno però bisogno di un’enorme quantità di energia, che il motore deve essere in grado di produrre autonomamente.
I metodi di alimentazione delle turbopompe sono noti come cicli, e ne esistono di due tipi: cicli aperti e cicli chiusi.

Procediamo per gradi e partiamo dai primi, i più semplici. In un ciclo aperto, non tutto il propellente entra in camera di combustione e contribuisce alla spinta. Per alimentare le turbopompe, si rende infatti necessario sacrificare piccole parti di combustibile ed ossidante, bruciate in un apposito componente – il preburner – e successivamente espulse. Nel dettaglio, i gas caldi derivanti dal preburner muovono una turbina sul cui albero sono presenti anche le turbopompe.
La diminuzione di efficienza viene ripagata da una relativa semplicità costruttiva, in certi casi preferibile. Due esempi sono i motori Merlin, montati da SpaceX sui Falcon 9, e gli F1 adottati per il Saturn V.

Per ovviare alla bassa efficienza del meccanismo appena descritto, negli anni sono stati progettati, testati e raffinati i motori a ciclo chiuso. Qui, al fine di incrementare spinta ed efficienza, quanto fuoriesce dal preburner non viene espulso, bensì recuperato e iniettato in camera di combustione, dove subìsce un secondo ciclo di combustione.
Motori di questo tipo, come i BE-4 del New Glenn o gli RS-25 dello Space Shuttle, si dicono “a combustione stadiata”.

Se pensate che SpaceX si sia accontentata di progettare, assemblare, testare e far volare un “semplice” motore a combustione stadiata, vi sbagliate.
L’azienda californiana ha portato questa filosofia all’ennesima potenza, sfruttando un ciclo chiuso in cui la totalità del propellente passa attraverso due preburner: uno per il combustibile, l’altro per l’ossidante.
Il vantaggio? Un’efficienza ancora superiore, al prezzo di una mostruosa complessità.

Nel dettaglio, il preburner che muove la turbopompa di ossidante opera con una miscela ricca di ossidante, mentre l’altro utilizza una miscela arricchita di combustibile. Il primo è mostrato in arancione nell’animazione sopra, il secondo in viola. Motori di questo tipo prendono il nome di Full Flow Staged Combustion, o FFSC, e sono considerati il Sacro Graal della propulsione spaziale. Basti pensare che in tutta la storia ne sono stati costruiti solo tre modelli, e l’unico a volare è stato il Raptor.

StarHopper, in occasione dei due “saltelli” effettuati la scorsa estate, ha infatti permesso a SpaceX di appropriarsi del titolo di “primo utilizzatore di un motore FFSC”.
Quindi, alla luce di quanto detto, possiamo affermare il Raptor è il miglior motore mai costruito? Dipende, in senso assoluto no, vediamo perché.

Un Raptor costruito attorno al razzo, e viceversa

Ora che il funzionamento di massima è stato descritto, è giunto il momento dei numeri.
L’attuale versione del Raptor è in grado di generare circa 200 tonnellate di spinta, vale a dire circa il doppio di un Merlin e più o meno quanto un motore dello Space Shuttle.

Tanto? Poco? Il giusto: un valore del genere consente di equipaggiare Starship con un numero adeguato di motori, tre per il volo atmosferico e tre per lo spazio. Queste due tipologie differiscono principalmente per le dimensioni dell’ugello: quelli ottimizzati per lo spazio hanno un ugello molto più grande, in grado di estrarre dai gas ogni briciolo di spinta e di abbassare la loro pressione fino quasi al vuoto dello spazio esterno. Impossibile da ottenere in atmosfera. Un elevato numero di motori sarebbe difficile da controllare, basti pensare ai grattacapi che i ventisette Merlin del Falcon Heavy hanno provocato agli ingegneri di SpaceX. Pochi motori, invece, porrebbero dei problemi di affidabilità. Un guasto, magari in fase di rientro atmosferico su Marte, avrebbe conseguenze catastrofiche. Qualcosa di poco auspicabile, quando ci si trova a qualche decina di milioni di kilometri dalla Terra.

C’è però un argomento che, finora, abbiamo trattato solo in maniera generica: il propellente.
Il Raptor è alimentato da una miscela nota come METHALOX: metano ed ossigeno liquidi. Una scelta alquanto insolita per un motore spaziale, ma anche in questo caso, SpaceX non ha semplicemente pescato ad occhi chiusi da una boccia di vetro.

Le ragioni che si celano dietro questa scelta sono molteplici, ma per comprenderle dobbiamo introdurre i suoi avversari: il kerosene, anche noto come RP-1 ed usato sul Falcon 9, e l’idrogeno liquido, adottato ad esempio per lo Space Shuttle.

Per una combustione ottimale, combustibile ed ossidante vanno miscelati nelle giuste quantità, come ingredienti di una ricetta. Questo rapporto, naturalmente, si rifllette sulle dimensioni dei serbatoi, che occupano la stragrande maggioranza del volume di un razzo.

Tramite rapidi conti si scopre che, se si ricorre alla formula RP-1/LOX, il serbatoio del kerosene dovrà avere un volume pari alla metà di quello dell’ossigeno, o LOX. Nel caso della miscela HYDROLOX, il volume di idrogeno sarà sei volte quello dell’ossigeno. E per il metano? Per ogni litro di ossigeno occorrono 0.73 litri di metano.

Ciò significa che Starship potrà affidarsi a due serbatoi di dimensioni quasi identiche, massimizzando dunque la capacità di carico. Inoltre, il fatto che metano ed ossigeno siano liquidi a temperature molto simili e relativamente poco basse (stiamo comunque parlando di 150 gradi sotto zero), pone molti meno problemi di isolamento, che ad esempio affliggevano lo Space Shuttle. Questo è un vantaggio non trascurabile nel caso di viaggi interplanetari.

Veniamo ora al discorso efficienza, tanto propagandato prima. Occorre innanzitutto distinguere due tipi di efficienza. Il primo è quello trattato in precedenza: l’efficienza del ciclo. In questo caso non ci sono appelli, il Full Flow Staged Combustion vince a mani basse.

Vi è però un altro tipo di efficienza, che riguarda il propellente usato, il cosiddetto impulso specifico. Senza addentrarci troppo nei tecnicismi, vi basti sapere che è l’equivalente dei kilometri al litro che un’autovettura è in grado di percorrere; per i motori spaziali è espresso in secondi. Qui il vincitore assoluto è il motore dello Shuttle, forte del fatto che l’idrogeno liquido è il miglior combustibile esistente. Eppure, come abbiamo appena visto, si porta dietro non pochi grattacapi ingegneristici.

Ultimo, ma non meno importante: la produzione. Musk non ha mai nascosto che il fine ultimo di SpaceX è la conquista di Marte, e Starship sarà il mezzo che, sperabilmente, lo permetterà. Il Pianeta Rosso non è però dietro l’angolo: il viaggio di andata è lungo e costoso in termini di propellente. E per tornare a casa?

Il piano di Musk è fattibile solo a patto di essere in grado di rifornire Starship su Marte. Non sono stati svelati molti dettagli a riguardo, ma non dubitiamo che orde di ingegneri e chimici stiano affrontando il problema al quartier generale di SpaceX. L’intero processo si basa sulla reazione di Sabatier, che partendo da anidride carbonica e idrogeno produce metano e acqua.

L’anidride carbonica costituisce il 95% dell’atmosfera di Marte, mentre l’acqua arriverebbe dai depositi glaciali del sottosuolo. Facile a dirsi, molto difficile da realizzare su un altro corpo celeste, ma diamo per certo che anche in questa sfida SpaceX butterà tutta se stessa.

Per quanto tutt’altro che facile, produrre metano e ossigeno su Marte è di gran lunga la soluzione più sensata. L’idrogeno presenterebbe enormi problematiche di stoccaggio, mentre il kerosene richiederebbe un’intera raffineria.

Il giusto compromesso, sotto ogni aspetto

Tornando alla domanda di prima, il Raptor non è il miglior motore mai costruito. Non è il più potente, non è nemmeno quello che utilizza al meglio il propellente a disposizione. Però svolge egregiamente il proprio compito, ed incorpora i migliori compromessi, che gli permetteranno lunghe permanenze nello spazio o su altri corpi celesti, oltre alla possibilità di essere riutilizzato.

SpaceX non aveva bisogno di un motore potente, ma di un oggetto affidabile, riutilizzabile e in grado di essere rifornito facilmente. Aveva bisogno di un motore come il Raptor, ma nulla di simile esisteva, nessuno era mai nemmeno stato in grado di farlo volare. Ci sono voluti sei anni, hanno sbagliato, riprovato e sbagliato ancora, ma ora il Raptor è realtà.

Solo il tempo ci dirà se dovremo ringraziare questa tonnellata di metallo per averci permesso di diventare una civiltà interplanetaria.