Le celle a combustibile delle missioni Apollo

Quarantasei ore e 43 minuti dall'inizio del volo di Apollo 13, il Capcom Joe Kerwin contatta il comandante Jim Lovell: "La nave spaziale è davvero in forma per quanto ci riguarda e ci annoiamo molto". Nove ore dopo, le cose diventarono molto meno noiose:un rimescolamento di routine dei serbatoi criogenici dell'ossigeno per evitare che il prezioso gas super-raffreddato si stratificasse, causò un'esplosione nel serbatoio 2. Con la fuoriuscita questo gas vitale, Apollo 13 perse lentamente elettricità, luce e la fornitura dell'acqua. Naturalmente nessuno a bordo o a Houston sapeva in quel momento cosa esattamente era successo e che l'equipaggio di Apollo 13 non sarebbe atterrato sulla Luna.

Il personale della Nord American mostra l'acqua e l'elettricità prodotte dalle celle a combustibile che alimentavano la navicella Apollo. (Credit:Museo Nazionale di Storia Americana)

La perdita di un serbatoio di ossigeno stava paralizzando la navicella di Apollo perché i serbatoi di ossigeno alimentavano le celle a combustibile che alimentavano a loro volta il veicolo spaziale. Tre celle a combustibile, ciascuna contenente 31 celle separate ma collegate, erano inserite nel modulo di servizio. La reazione elettrochimica della combinazione di idrogeno criogenico e ossigeno produceva elettricità, calore e acqua potabile come sottoprodotti. Questa energia elettrica veniva trasferita nel modulo di comando attraverso un ombelicale che corre lungo il lato esterno dei due moduli (servizio e comando).


In condizioni di volo normali, ciascuna delle celle a combustibile poteva produrre tra i 400 e i 1420 watt a corrente continua (CC) da 31 a 27 volt. E sebbene si "nutrissero" degli stessi serbatoi di ossigeno e idrogeno, le celle a combustibile non erano collegate tra loro, una decisione che ha portato un po 'di sicurezza nel sistema; il fallimento di una non avrebbe comportato una perdita totale di potenza. L'elettricità e l'acqua potabile erano sottoprodotti delle celle a combustibile Apollo

Una pila a combustibile del programma Apollo (Credit:National Air and Space Museum)

Le celle a combustibile erano legate a due bus che distribuivano la potenza prodotta attraverso i sistemi dei veicoli spaziali. La cella di combustibile 1 era collegata al bus DC principale A, la cella a combustibile 2 era collegata ai bus principali CC A e B e la cella a combustibile 3 collegata al bus principale CC B. Gli inverter a stato solido convertivano la corrente continua in corrente alternata (CA) per la distribuzione nei sistemi elettrici dei veicoli spaziali.


Ma queste connessioni tra celle a combustibile e bus non erano permanenti. Nel modulo di comando erano presenti interruttori che consentivano all'equipaggio di isolare manualmente una cella a combustibile e controllare la direzione del flusso di corrente nel caso in cui alcuni malfunzionamenti danneggiassero una delle celle. Perdere una cella a combustibile non significava che la navicella fosse morta. Allo stesso modo, uno degli inverter AC poteva fornire al veicolo spaziale le sue esigenze di elettricità di base, mentre gli altri due fungevano da backup e ogni bus era alimentato dal proprio inverter in modo da poter essere isolato se non funzionasse.
Quindi c'erano un numero di ridondanze nel sistema di alimentazione dell'Apollo. Una squadra poteva isolare qualsiasi elemento guasto dell'intero sistema, e la NASA aveva regole di missione in atto che delineavano cosa sarebbe successo se qualche elemento del sistema di alimentazione si fosse guastato in volo.


Secondo le regole della missione pubblicate prima del lancio dell'Apollo 11, una cella a combustibile è stata considerata persa quando la sua uscita scendeva sotto i 5 amp, un serbatoio di ossigeno era considerato perso quando la sua pressione fosse scesa sotto 150 psi e un serbatoio di idrogeno era considerato perso quando la sua pressione scendeva sotto 100 psi. La linea di condotta dopo aver perso uno o più elementi del sistema durante il volo varia a seconda della fase della missione: durante il lancio, la fase di atterraggio lunare o la fase di crociera.

Perdere tutte e tre le celle a combustibile durante il lancio non significava interrompere; le batterie cariche nel modulo di comando avrebbero fornito all'equipaggio 4.75 ore di energia per risolvere il problema in orbita prima che fossero costretti a rientrare nell'atmosfera. Solo la perdita di tre celle a combustibile e una delle batterie di rientro durante il lancio avrebbe richiesto l'aborto della missione.
Una perdita di due o tre celle a combustibile in orbita lunare significava cancellare l'atterraggio. 
La perdita di celle a combustibile durante l'atterraggio lunare significava un NO GO per la permanenza lunare. In questo caso, l'obiettivo era quello di far attraccare il veicolo spaziale il più rapidamente possibile.
Perdere due o tre celle a combustibile e qualsiasi batteria di rientro in qualsiasi punto della missione richiedeva uno spegnimento di emergenza per conservare tutta l'energia di bordo per il viaggio di ritorno e il rientro attraverso nell'atmosfera terrestre.


Con una sola cella a combustibile persa, l'equipaggio avrebbe tentato di ripristinare la cella e riconfigurare l'astronave per indirizzare l'energia dalle due celle restanti a un bus ciascuno, ripristinando una certa ridondanza. Da lì, la NASA avrebbe esaminato il modo in cui gli altri sistemi si stavano comportando e valutando in quale fase si trovava la missione prima di decidere se continuare con la missione programmata. All'epoca del volo di Apollo 13, le regole della missione stabilivano che non si poteva atterrare sulla Luna con due celle a combustibile. Quindi, quando il serbatoio dell'ossigeno esplose, l'equipaggio si attenne alle regole della missione. Le letture nel veicolo spaziale e a Houston evidenziarono che un serbatoio dell'ossigeno e le celle a combustibile 1 e 3 avevano fallito. Pensando che molti fallimenti potessero essere un qualche tipo di problema alla strumentazione, il Capcom Jack Lousma fece in modo che l'equipaggio provasse a ricollegare la cella a combustibile 1 al Main A e la fuel cell 3 al Main B, ma questo non risolse il problema. La chiamata per chiudere le valvole dei reagenti arrivò a un'ora e due minuti dall'inizio della crisi. Lousma chiamò per dire che Apollo 13 stava perdendo ossigeno attraverso la cella a combustibile 3. 

Lousma: "Quindi, vogliamo che tu chiuda la valvola dei reagenti sulla cella a combustibile 3. Sembra che le celle a combustibile 1 e 2 stiano cercando di tenere il passo."

Il Pilota del modulo lunare Fred Haise rispose: "Stai dicendo che le celle a combustibile 1 e 2 - 1 e 2 stanno cercando di resistere, ma stiamo perdendo O2 dalla pila a combustibile 3? E vuoi che chiuda la valvola dei reagenti sulla pila a combustibile 3? Ti ho sentito bene?"

Lousma confermò: "Affermativo, chiudi la valvola dei reagenti sulla pila a combustibile 3.


Questa decisione confermò all'equipaggio che l'atterraggio lunare era abortito. Poco più di cinque minuti dopo l'esplosione, Haise chiamò Houston, "Ho provato a resettare le celle a combustibile 1 e 3 ma entrambe mostrano le bandiere grigie".Fred Haise durante il debriefing della missione dichiarò: "Ho guardato la cella a combustibile 3, e i suoi flussi mostravano il fondo scala. Ciò significava che questa cella a combustibile non aveva energia. Ciò significava che l'intero bus era sparito. Ho compreso in quell'istante che LOI (Inserzione in orbita lunare) sarebbe stato NO GO. 

L'estensione del danno al modulo di servizio di Apollo 13 non fu nota fino a quando l'equipaggio non scattò questa fotografia. (Credit:NASA)

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