Da quando come esseri umani abbiamo alzato lo sguardo al cielo notturno e compreso che quei puntini luminosi erano stelle e pianeti, abbiamo sognato di visitare altri mondi e vedere di persona cosa c’è là fuori, nell’universo.
Oggi, i nostri razzi a propulsione chimica ci hanno portato sulla Luna e hanno portato i nostri strumenti su pianeti, lune e altri corpi nel Sistema Solare e il veicolo spaziale arrivato più lontano tra quelli lanciati dall’umanità – Voyager 1 – dista solo 22,3 miliardi di chilometri dalla Terra: solo 0,056% della distanza dal sistema stellare noto più vicino. Con la tecnologia attuale, occorrerebbero quasi 100.000 anni per viaggiare verso un altro sistema stellare.
Ma non è necessario limitarci a fare le cose nel modo in cui le stiamo facendo adesso. Con la giusta tecnologia, potremmo migliorare enormemente l’efficienza dei nostri sistemi per trasportare una grande massa di carico utile, forse persino trasportare esseri umani a distanze senza precedenti in tutto l’Universo. In particolare, ci sono quattro tecnologie che hanno il potenziale per portarci alle stelle su scale temporali molto più brevi. Ecco quali.
1.) L’opzione nucleare. A questo punto della storia umana, ogni razzo che abbiamo lanciato nello spazio, americano, russo, cinese o altro, ha una cosa in comune con tutti gli altri: una propulsione basata su propellenti chimici. Sì, il carburante per missili è uno speciale mix di carburanti chimici progettato per massimizzare la spinta, ma la parte del “carburante chimico” è molto importante: afferma che le reazioni che lo alimentano si basano sul riarrangiamento dei legami tra i vari atomi per fornire energia.
Questo è fondamentalmente limitante! Per un atomo, la stragrande maggioranza della sua massa è nel nucleo dell’atomo: 99,95%. In una reazione chimica, gli elettroni che orbitano attorno agli atomi vengono riorganizzati, rilasciando in genere da qualche parte circa lo 0,0001% della massa totale degli atomi coinvolti sotto forma di energia, tramite la famosa equazione di Einstein: E = mc². Ciò significa che per ogni chilogrammo di carburante con cui viene caricato un razzo, dalla reazione si otterrà solo l’equivalente di energia di 1 milligrammo di massa.
Ma con un combustibile a base nucleare la storia cambia radicalmente. Invece di fare affidamento sul cambiamento della configurazione degli elettroni e del modo in cui gli atomi sono legati insieme, è possibile rilasciare quantità relativamente enormi di energia alterando il modo in cui i nuclei atomici stessi sono legati l’uno all’altro. Quando si divide un atomo di uranio bombardandolo con un neutrone, questo emette un’enorme quantità di energia rispetto a qualsiasi reazione basata su sostanze chimiche: 1 chilogrammo di combustibile U-235 può rilasciare l’equivalente energetico di 911 milligrammi di massa, un fattore di ~ 1000 volte più efficiente dei carburanti a base chimica.
Se invece dovessimo dominare la fusione nucleare, ad esempio con un sistema di fusione a confinamento inerziale in grado di fondere l’idrogeno in elio, la stessa reazione a catena che si verifica nel Sole, potremmo diventare ancora più efficienti. La fusione di 1 kg di idrogeno in elio trasformerebbe 7,5 grammi di massa in pura energia, rendendola quasi 10.000 volte più efficiente dei carburanti chimici.
La chiave è che saremmo in grado di ottenere le stesse accelerazioni per un razzo per periodi di tempo molto più lunghi: centinaia o addirittura migliaia di volte più a lungo, permettendoci di raggiungere velocità centinaia o migliaia di volte maggiori di quanto i razzi convenzionali raggiungano oggi. Sarebbe possibile ridurre il tempo di un viaggio interstellare a soli secoli o forse addirittura decenni. È una strada promettente che potrebbe essere realizzabile, a seconda di come si svilupperà la tecnologia, prima di raggiungere l’anno 2100.
2.) Un array laser basato sullo spazio. Questa è l’idea principale alla base del progetto “Breakthrough Starshot” che ha acquisito notorietà alcuni anni fa e rimane un concetto entusiasmante. Mentre i veicoli spaziali convenzionali fanno affidamento sul portare il proprio combustibile a bordo e spenderlo per autoaccelerare, l’idea chiave in gioco qui è che un ampio array laser ad alta potenza potrebbe fornire la spinta necessaria a un veicolo spaziale esterno. In altre parole, la fonte della spinta sarebbe separata dall’astronave stessa.
Questo è un concetto affascinante e rivoluzionario in molti modi. La tecnologia laser sta diventando non solo più potente, ma anche più altamente collimata, il che significa che se possiamo progettare un materiale simile a una vela in grado di riflettere una percentuale abbastanza elevata di quella luce laser, potremmo usare un raggio laser per accelerare veicoli spaziali a velocità incredibili lontano dalla fonte del nostro array. Uno “starchip” di circa 1 grammo potrebbe concepibilmente raggiungere il 20% circa della velocità della luce, il che gli consentirebbe di arrivare a Proxima Centauri, la stella a noi più vicina, in soli 22 anni.
Certo, dovremmo costruire una straordinaria gamma di laser: circa 100 chilometri quadrati di laser e dovremmo farlo nello spazio, ma questo è un problema di costi, non di scienza o tecnologia. Ma ci sono problemi tecnologici che devono essere superati affinché questo funzioni, tra cui:
- una vela non supportata inizierà a ruotare e richiede una sorta di meccanismo di stabilizzazione (non sviluppato),
- il fatto che non c’è modo di rallentare una volta che arrivi a destinazione, dal momento che non c’è carburante a bordo,
- un sistema del genere non sarebbe adatto per trasportare umani, le accelerazioni sarebbero troppo grandi – richiedendo un grande cambiamento di velocità in breve tempo – per far sopravvivere un essere umano.
Questa tecnologia potrebbe forse un giorno portarci alle stelle, ma un’idea attuabile per portare gli umani fino al 20% circa della velocità della luce non è ancora disponibile.
3.) Carburante basato su antimateria. Dovendo portare combustibile con noi in un viaggio interstellare, sarebbe opportuno che sia il combustibile più efficiente possibile: l’ideale sarebbe ricorrere all’annichilazione materia-antimateria. Piuttosto che combustibili a base chimica o persino a base nucleare, dove solo una parte della massa portata a bordo viene convertita in energia, l’annichilazione materia-antimateria trasformerebbe il 100% della massa di materia e antimateria in energia. Questo è il massimo dell’efficienza per il carburante: la prospettiva di convertirlo tutto in energia che potrebbe essere utilizzata per la spinta.
La difficoltà si presenta solo in pratica, e in particolare, su tre fronti:
- la creazione di antimateria stabile e neutra,
- la capacità di isolarla dalla materia normale e controllarla con precisione,
- produrne in quantità sufficientemente grandi da poter essere utile per il viaggio interstellare.
Questo è abbastanza eccitante, perché, tecnicamente, le prime due sfide sono già state superate.
Al CERN, presso il Large Hadron Collider, c’è un enorme complesso noto come “la fabbrica di antimateria“, dove almeno sei squadre separate stanno studiando le varie proprietà dell’antimateria. Prendono gli antiprotoni e li rallentano, costringendo i positroni a legarsi con loro: creando anti-atomi o antimateria neutra.
Contenendo questi anti-atomi, a bordo di un’astronave, con campi elettrici e magnetici alternati, che li bloccano lontano dalle pareti del contenitore che sono fatte di materia. A questo punto, a metà del 2020, hanno isolato e mantenuto con successo diversi anti-atomi contemporaneamente per quasi un’ora. Sembra poco ma significa che, ad un certo punto nei prossimi anni, saranno abbastanza bravi in questo da poter misurare, per la prima volta, se l’antimateria cade su o giù in un campo gravitazionale.
Non è necessariamente una tecnologia a breve termine, ma potrebbe finire per essere il mezzo più veloce per un viaggio interstellare: un razzo ad antimateria.
4.) Un veicolo spaziale alimentato dalla materia oscura. Questo, certamente, si basa su ipotesi su qualunque particella costituisca la materia oscura: che si comporti come un bosone, rendendola la propria antiparticella. In teoria, la materia oscura che è la sua stessa antiparticella avrà una piccola, ma non nulla, possibilità di annichilirsi con qualsiasi altra particella di materia oscura con cui si scontra, rilasciando nel processo energia che potremmo potenzialmente sfruttare.
Ci sono alcune prove che questo sia possibile, poiché non solo la Via Lattea ma anche altre galassie hanno un eccesso inspiegabile di raggi gamma che provengono dai loro centri galattici, dove la densità della materia oscura dovrebbe essere maggiore. È sempre possibile che ci sia una banale spiegazione astrofisica per questo – come le pulsar – ma è anche possibile che la materia oscura si stia annichilendo con se stessa nei centri delle galassie, facendo emergere un’incredibile possibilità: una navicella spaziale alimentata dalla materia oscura.
Il vantaggio di questo è che la materia oscura è letteralmente ovunque in tutta la galassia, il che significa che non sarebbe necessario per un’astronave portarsi il combustibile da casa. Invece, un “reattore” di materia oscura potrebbe semplicemente:
- raccogliere la materia oscura mentre vi passa in mezzo
- facilitare il suo annichilimento o lasciare che annichilisca naturalmente,
- reindirizzare lo scarico dell’energia per ottenere la spinta nella direzione desiderata,
e potremmo controllare le dimensioni e la grandezza del reattore per ottenere i risultati desiderati.
Senza la necessità di trasportare carburante a bordo, molti dei problemi dei viaggi nello spazio sarebbero superati. Saremmo in grado di realizzare l’ultimo sogno per i viaggi spaziali: un’accelerazione costante illimitata. Dal punto di vista dell’astronave stessa, ciò aprirebbe una delle possibilità più fantasiose di tutte, la capacità di raggiungere qualsiasi posizione nell’Universo in una singola vita umana.
Se ci limitiamo all’attuale tecnologia missilistica, ci vorranno decine di migliaia di anni – almeno – per completare un viaggio dalla Terra al sistema solare più vicino a noi. Ma enormi progressi nelle tecnologie di propulsione sono a portata di mano e potrebbero ridurre la durata del viaggio ad una singola vita umana. Se riusciremo a padroneggiare l’uso del combustibile nucleare, delle matrici laser spaziali, dell’antimateria o persino della materia oscura, potremmo realizzare il nostro sogno di diventare una civiltà spaziale senza invocare tecnologie di rottura della fisica come la curvatura.
Esistono molteplici potenziali strade per trasformare ciò che è già stato dimostrato scientificamente valido in una tecnologia di propulsione di prossima generazione fattibile. Entro la fine del secolo, è assolutamente possibile che un veicolo spaziale non ancora progettato sorpassi le missioni New Horizons, Pioneer e Voyager che sono gli oggetti di fattura umana più distanti dalla Terra.
La scienza è già lì. Sta a noi guardare oltre i limiti delle nostre attuali tecnologie e realizzare questo sogno.
