Come potremo viaggiare tra le stelle

L’umanità dipende dall’esplorazione. Desideriamo soddisfare la nostra curiosità per ciò che si trova in ogni direzione, viaggiare, espandendo le rotte commerciali e imparando ad adattarci a nuovi terreni. E mentre prima ci bastava esplorare la Terra, ora stiamo dirigendo il nostro sguardo oltre essa.

I sistemi stellari distanti anni luce sono il futuro, non solo perché l’idea suona ultra romantica e pionieristica, ma perché è davvero necessario raggiungere un giorno le loro coste. Il Sole tra meno di 1 miliardo di anni ucciderà l’abitabilità del nostro pianeta.

E dove potremmo fuggire?

La stella vicina a noi più vicina, 4,2 anni luce, è Proxima Centauri, attorno alla quale forse orbita un esopianeta forse abitabile. Dobbiamo, però, essere chiari sul fatto che con i razzi tradizionali e i moderni metodi di viaggio nello spazio semplicemente non possiamo sperare di raggiungere qualsiasi altra stella.

Usiamo motori ionici a bassa spinta, razzi chimici e manovre gravitazionali attorno ai pianeti per esplorare lo spazio. Il nostro razzo più veloce, l’Apollo 10, ha raggiunto una velocità massima di poco meno di 40.000 chilometri orari. Veloce. Eppure a quella velocità ci vorrebbero centinaia di migliaia di anni per raggiungere Proxima. Abbiamo bisogno di un metodo di viaggio che ci permetta di arrivarci nell’arco di una vita umana. Cioè, abbiamo bisogno di un’astronave in grado di viaggiare almeno al 10% della velocità della luce.

Vediamo un po’ di scienza missilistica.

L’equazione del razzo Tsiolkovsky ci dice che ci sono tre categorie principali che incidono sulla velocità massima: massa del carburante, velocità di scarico (la velocità con cui il gas di scarico lascia il motore del razzo) e la massa complessiva della nave. Il motivo per cui i nostri razzi devono essere significativamente più grandi delle navi che spingono nello spazio è perché la velocità e la decelerazione richiedono entrambe che una certa parte della massa del velivolo deve essere costituita da carburante.

Raddoppiare la velocità di scarico di significherebbe che un razzo dovrebbe contenere l’86% di carburante. Se, poi, volessimo decelerare lo stesso razzo, ciò richiederebbe che il 98% della massa del razzo sia carburante. Triplicando la velocità di un razzo e consentendogli di decelerare, la cifra aumenta ulteriormente, richiedendo il 99,75% di carburante e lasciando solo lo 0,25% per la massa della nave effettiva.

Proporre di fare viaggi interstellari con i razzi che abbiamo ora richiederebbe un’astronave più grande dell’universo osservabile.

Qual è la tecnologia migliore che potrebbe farci superare la distanza di 4,2 anni luce?

La prima alternativa ovvia è la propulsione nucleare tramite un reattore a fusione. Questi reattori conterrebbero isotopi di idrogeno, trizio o deuterio, sebbene il trizio non possa essere conservato per lunghi periodi di tempo poiché la sua emivita è di circa 12 anni (ma il trizio decade in elio-3, il che può essere vantaggioso).

Poiché le stelle nella nostra parte della galassia sono tutte a una distanza compresa tra 5 e 10 anni luce l’una dall’altra, il tempo di transito utilizzando un reattore a fusione sarà di circa 14-15 anni per anno luce o, nel caso di Proxima Centauri, un minimo di 59 anni. Per le stelle più lontane questo numero può arrivare fino a 150 anni.

Se volessimo che le nostre navi si avvicinassero ai bordi esterni della Via Lattea, a circa 80.000 anni luce di distanza, un velivolo a fusione potrebbe raggiungere questo obiettivo in circa un milione di anni. Alcune delle galassie più vicine alla nostra, quelle della Nube di Magellano, si trovano a oltre 150.000 anni luce di distanza. Per superare questo enorme divario, una nave stellare a fusione impiegherebbe circa 2 milioni di anni.

Colonizzare prima le stelle più vicine per poi diffondersi gradualmente richiederebbe molto più tempo, anche se si stima che l’intera galassia potrebbe essere colonizzata in circa 10 milioni di anni utilizzando questo metodo di viaggio interstellare.

C’è, ovviamente, il problema di realizzare la tecnologia di fusione tanto per cominciare. Le nostre prove con la fusione nel corso dei decenni hanno dimostrato che questo è tutt’altro che facile. E se usassimo una tecnologia che già padroneggiamo?

Alcuni scienziati hanno proposto di riproporre le bombe nucleari per spingerci nello spazio. Facendo esplodere una serie di bombe dietro l’imbarcazione, la nave potrebbe accelerare, raggiungendo circa il 10% della velocità della luce e arrivando ad Alpha Centauri in poco meno di 90 anni.

Né i reattori a fusione né le detonazioni di bombe renderebbero possibili i viaggi interstellari nell’arco di una vita umana. Per risolvere il problema dei viaggi interstellari con equipaggio sono state suggerite diverse soluzioni: criosonno, estensione artificiale della vita, una nave multigenerazionale o intelligenza artificiale che aiuterebbe ad allevare embrioni umani una volta arrivati ​​sul nuovo pianeta.

Ognuna di queste proposte ha la propria serie di problemi da superare.

Qui affrontiamo il vero problema del viaggio interstellare. Non è la distanza. Andare dalla Terra alla Luna e dalla Terra al prossimo sistema stellare sono essenzialmente lo stesso problema. Il vero problema che deve essere superato è il tempo.

Una vita umana è semplicemente troppo breve per fare il viaggio di andata e ritorno. Anche se un velivolo potesse essere spinto vicino alla velocità della luce, ciò comporterebbe una serie di problemi relativi alla comunicazione, alla navigazione e alla dilatazione del tempo. E se invece potessimo accorciare la distanza?

Prendiamo una scorciatoia attraverso lo spaziotempo. Iniziamo ad immergerci nel regno della fantascienza dove potrebbero sorgere nuove dimensioni. Una quinta dimensione – una che si estende oltre il nostro universo in un regno noto come “non-spazio” – potrebbe essere al di fuori della giurisdizione del tempo e quindi potrebbe consentire il viaggio istantaneo tra due punti. Si può immaginare questa quinta dimensione come lo spazio la “pelle” del nostro universo. Se il nostro universo è una sfera, allora noi e tutte le altre galassie siamo sulla pelle di quella sfera. L’interno della sfera sarebbe l’area del non-spazio. La quinta dimensione.

Un’estensione simile ma più familiare di questa idea è il wormhole, o come è noto scientificamente, un ponte Einstein-Rosen. È chiamato “ponte” per la sua capacità di collegare due punti nello spaziotempo, accorciando la distanza – e quindi il tempo – da percorrere tra di loro. I wormhole in teoria potrebbero essere aperti e mantenuti utilizzando materia esotica e una maggiore comprensione della teoria delle stringhe.

È possibile che i buchi neri stessi agiscano già da ponti. Potrebbero nascondere dietro il loro orizzonte degli eventi il ​​percorso verso un nuovo universo. I buchi neri potrebbero anche collegare due punti nel tempo in modo che se ci immergessimo in uno oggi nell’anno 2022, potremmo emergere 2.000 anni nel passato o 2.000 anni nel futuro.

Uno dei metodi di viaggio più efficienti sia un sistema di propulsione basato sull’antimateria. Antielettroni (positroni) e antiprotoni potrebbero unirsi per formare antiidrogeno, una possibile fonte di combustibile che potrebbe essere contenuta in camere magnetiche in modo che l’antimateria non si annichili quando tocca la materia normale.

Questa reazione antimateria potrebbe funzionare con un’efficienza superiore al 50%; molto più impressionante dei tassi di efficienza dell’1% di un’unità di fusione. Un’unità come questa potrebbe avvicinarsi alla velocità della luce, con le nostre velocità massime limitate dalla quantità di antimateria che potremmo produrre. Di più antimateria potremo disporre, più velocemente potremo andare. Potremmo colmare la distanza tra qui e Alpha Centauri in soli 3 anni.

Il problema è che l’antimateria è lenta da produrre, pericolosa ed estremamente costosa. Anche solo la piccola quantità necessaria per i viaggi interstellari è fuori dalla nostra attuale portata.

Ma le navi migliori non dovrebbero solo puntare sull’efficienza. Devono anche considerare la praticità. Parte del motivo per cui le navi a vela sono state una parte così trasformativa e di successo della storia umana è perché sono state in grado di utilizzare l’ambiente, cioè il vento naturale, per spingere la nave. E se avessimo astronavi in grado di fare lo stesso?

Il Ramjet di Bussard è concepito in modo di raccoglie tracce di gas e polvere nello spazio interstellare e comprimerle in carburante per un razzo a fusione nella parte posteriore del velivolo. Non trasporta il proprio carburante: raccoglie carburante dal mezzo dello spazio interstellare utilizzando grandi campi magnetici. Questi campi possono avere una dimensione compresa tra pochi km e poche migliaia di km, anche se stime più recenti hanno portato notizie agrodolci.

I campi magnetici sarebbero in grado di raccogliere e incanalare la materia interstellare, il che significa che l’astronave sarebbe in grado di avvicinarsi a velocità relativistiche. La cattiva notizia, tuttavia, è che i fisici Peter Schattschneider e Albert A. Jackson hanno calcolato quanto grande dovrebbe essere questo campo magnetico: come minimo 4.000 km di diametro e 150 milioni di km di lunghezza.

Purtroppo, questo tipo di ingegneria potrebbe essere realizzata da una civiltà più avanzata, ma attualmente è fuori dalla nostra portata tecnologica. E, per quanto ne sappiamo, l’area all’interno e intorno al nostro sistema solare è particolarmente sottile e non ha molto gas e polvere per alimentare il Ramjet di Bussard. C’è anche il fatto che questo progetto si basa sull’energia di fusione, quindi dovremmo comunque prima acquisire questa tecnologia.

Motori a fusione, bombe, wormhole, buchi neri, collisioni di antimateria ed enormi campi magnetici. Questi non iniziano nemmeno a racchiudere l’iceberg di possibilità davanti a noi. Potremmo anche prendere in considerazione vele luminose, vele magnetiche, unità a buchi neri, navi generazionali, unità tachioniche, unità a materia negativa, unità a curvatura di Alcubierre, motori a ioni e altro ancora.

Gli ingegneri e gli scienziati del futuro potranno teorizzare navi ancora migliori man mano che approfondiremo la nostra comprensione del nostro universo e delle sue leggi misteriose.

Dopotutto, abbiamo circa un miliardo di anni per capirlo.