Il futuro della tecnologia di propulsione (parte II)

Nella prima parte, abbiamo esaminato come la fissione nucleare e la fusione nucleare diventeranno probabilmente la via del futuro. Queste tecnologie di propulsione combinano una spinta migliorata e un'efficienza del carburante con transiti più brevi e veicoli spaziali meno ingombranti, riducendo i costi

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Il futuro della tecnologia di propulsione (parte II)
Il futuro della tecnologia di propulsione (parte II)

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Nella prima parte, abbiamo esaminato come la fissione nucleare e la fusione nucleare diventeranno probabilmente la via del futuro. Queste tecnologie di propulsione combinano una spinta migliorata e un’efficienza del carburante con transiti più brevi e veicoli spaziali meno ingombranti, riducendo i costi.

Queste tecnologie consentiranno missioni robotiche più rapide verso Marte, la cintura di asteroidi e il sistema solare esterno, fornendo più rapidamente i ritorni scientifici attesi. Consentiranno anche missioni umane oltre il sistema Terra-Luna e potrebbero persino portare a insediamenti permanenti sulla Luna, su Marte e oltre. Ma questo potrebbe essere solo l’inizio.

A lungo termine, l’umanità potrebbe realizzare alcune forme di propulsione veramente esotiche che sfruttano nuovi progressi nella tecnologia o nella fisica che vanno oltre gli attuali limiti. Questi sistemi potrebbero consentire un rapido transito verso i sistemi stellari e gli esopianeti vicini, combinando un’enorme efficienza del carburante e una densità di energia senza pari con velocità di accelerazione (delta-v) elevate.

Se la propulsione nucleare aprirà il Sistema Solare a ulteriori esplorazioni e insediamenti, queste idee più esotiche potrebbero aprire il nostro vicinato cosmico e persino l’intera galassia!

Energia diretta

Le vele solari sono state oggetto di ricerca e sviluppo per decenni e sono considerate un modo economico per esplorare il Sistema Solare. Rispetto ai veicoli spaziali convenzionali, sono relativamente economiche da produrre, essendo costituite da grandi fogli di materiale riflettente e componenti elettrici leggeri. Ancora più importante, fanno affidamento sulla pressione solare per la propulsione, non richiedendo carburante (o serbatoi di carburante ingombranti).



Diversi dimostratori tecnologici sono stati costruiti e testati nello spazio. Tra questi la sonda spaziale IKAROS della Japanese Aerospace Exploration Agency (JAXA) che ha operato nello spazio dal 2010 al 2015. Tra il 2015 e il 2019, la Planetary Society ha lanciato in orbita due vele solari, LightSail-1 e LightSail-2.

La stessa tecnologia è stata presa in considerazione per applicazioni di esplorazione interstellare negli ultimi anni. Questa idea è nota come Directed Energy Propulsion (DEP), e immagina “vele solari” accelerate a una frazione della velocità della luce (velocità relativistiche) utilizzando matrici di laser focalizzati. La tecnologia combina i vantaggi di massa ridotta, assenza di propellente e delta-v estremamente elevato.

Il concetto è stato proposto dal fisico e autore di fantascienza Robert Forward, che lo ha descritto in uno studio del 1984 intitolato “Roundtrip Interstellar TravelUsing Laser-pushed Lightsails”:

È una forma di propulsione a raggi in cui i ‘motori’ del veicolo restano nel Sistema Solare e la potenza e la massa di reazione vengono trasmesse al resto del veicolo che trasporta il carico utile… questi sistemi possono essere progettati in modo che la spinta dei laser verso l’esterno delSistema Solare non solo spinga le vele luminose fino a velocità relativistiche, ma possa anche essere utilizzata per arrestare le vele luminose nel sistema bersaglio”.

Secondo uno studio del 2000 prodotto da Robert Frisbee, un membro senior dello staff tecnico dell’Advanced Propulsion Technology Group presso il NASA JPL, una vela laser potrebbe essere accelerata a metà della velocità della luce. Tuttavia, ciò richiederebbe un flusso costante di 17.000 terawatt (TW) di potenza (vicino a ciò che il mondo intero consuma in un solo giorno) per quasi un decennio.

Frisbee ha anche calcolato che una vela realizzata materiali compositi e del diametro di circa 320 km potrebbe raggiungere Proxima Centauri in poco più di 12 anni, mentre una vela più grande (965 km) potrebbe effettuare il transito in meno di nove anni.

Gli sforzi per realizzare la propulsione a energia diretta sono iniziati nel 2014 con Project Dragonfly, uno studio di fattibilità per una missione interstellare di piccole imbarcazioni a vela in grado di raggiungere un sistema stellare bersaglio entro un secolo. Da allora i due concetti principali sono maturati in Project Lyra e  Breakthrough Starshot, attualmente in fase di sviluppo da Initiative for Interstellar Studies (i4is) e Breakthrough Initiatives (rispettivamente).

Il primo prevede vele solari che potrebbero raggiungere velocità fino a 26 km/s e incontrarsi con oggetti interstellari come ‘Oumuamua e 2I/Borisov. Quest’ultimo richiede un laser da 100 Gigawatt (GW) per accelerare le vele luminose a 59.958,5 km/s, o il 20% della velocità della luce, consentendogli di raggiungere Alpha Centauri entro 20 anni dal lancio.

Antimateria 

Un’altra idea davvero esotica è l’uso di annichilazioni materia-antimateria, un concetto che è comunemente presente nella fantascienza. Per scomporlo, l’antimateria è materia composta da antiparticelle con la stessa massa ma carica opposta delle particelle regolari. In un sistema di propulsione ad antimateria, particelle di idrogeno e anti-idrogeno si scontrano in una camera di reazione.

Questa reazione libererebbe tanta energia quanto una bomba termonucleare e piogge di particelle subatomiche chiamate pioni e muoni che viaggiano a velocità relativistiche. Queste particelle vengono incanalate da un ugello magnetico per generare spinta, spingendo gradualmente un veicolo spaziale fino alla metà della velocità della luce. Un vantaggio immediato di questo sistema di propulsione è il modo in cui combina un’incredibile densità di energia e un alto delta-v.

Questi vantaggi rendono la propulsione ad antimateria il concetto più efficiente in termini di consumo di carburante e potenza mai concepito. A causa del suo potenziale, il NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) ha studiato la tecnologia per realizzare future missioni nello spazio profondo. Per una missione del genere, pochi grammi di antimateria sarebbero sufficienti per fornire un viaggio rapido verso Marte e ritorno.

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VARIA – Adrian Mann

Moltiplicata in modo esponenziale, la propulsione ad antimateria potrebbe consentire missioni verso stelle vicine in pochi anni o decenni. Secondo un rapporto del 2003 preparato da Frisbee per la 39a conferenza e mostra congiunta AIAA/ASME/SAE/ASEE, un razzo antimateria a due stadi avrebbe bisogno di più di 900.000 tonnellate (815.000 tonnellate metriche) di carburante per compiere il viaggio verso Proxima Centauri on circa 40 anni.

Uno studio del 2001 dei Dottori Darrel Smith e Jonathan Webby della Embry-Riddle Aeronautical University in Arizona era più ottimista. Secondo le loro stime, un veicolo spaziale interstellare del peso di 441 tonnellate (400 tonnellate metriche) con 187 tonnellate (170 tonnellate metriche) di antimateria potrebbe raggiungere 0,5 la velocità della luce e arrivare a Proxima Centauri in poco più di otto anni.

Lo svantaggio è l’enorme costo di produzione anche delle quantità più modeste di antimateria. Ad oggi, solo una manciata di nanogrammi di antimateria è stata creata dagli acceleratori di particelle. Secondo il CERN, produrre circa un miliardesimo di grammo costa alcune alcune centinaia di milioni di dollari USA.

Un rapporto della NASA del 1999 ha stimato che la produzione di un singolo grammo di antimateria costerebbe 62,5 trilioni di dollari, mentre un rapporto del 2006 del Dr. Gerald Smith della Positronics Research LLC ha fissato il costo stimato a 25 miliardi di dollari per grammo. Ciò significa essenzialmente che l’antimateria è il materiale più costoso al mondo da produrre in questo momento.

Una possibile soluzione è stata raccomandata dall’astrofisico Richard Obousy (co-fondatore di Icarus Interstellar) in un documento del 2011, in cui ha descritto un sistema di esplorazione interstellare a razzo da vuoto ad antimateria (VARIES). Simile al Ramjet di Bussard discusso nella puntata precedente; il veicolo spaziale VARIES raccoglierebbe il proprio propellente direttamente dallo spazio. Ciò sarebbe ottenuto sparando laser (alimentati da massicci pannelli solari) nel vuoto dello spazio e raccogliendo le antiparticelle risultanti.

Tuttavia, gli elevati costi e requisiti energetici di un tale concetto sarebbero ancora proibitivi e molto impegnativi utilizzando la tecnologia odierna.

Velocità di curvatura

Se l’umanità vorrà mai realizzare il sogno di diventare una specie interstellare o intergalattica, dovremo andare molto più veloci di quanto consentano questi concetti. A meno che non siamo disposti ad aspettare secoli (o più) per viaggiare tra i sistemi stellari, dovremo sviluppare una propulsione più veloce della luce (FTL). Sfortunatamente, l’idea stessa di superare la velocità della luce viola la Teoria della Relatività Generale di Einstein.

Allo stato attuale, c’è un possibile candidato per FTL, noto come Alcubierre Warp Drive. Questo concetto è stato proposto dal fisico teorico messicano Miguel Alcubierre nel 1994 come un modo per riconciliare il viaggio nello spazio più veloce della luce con la relatività generale.

Ecco come lo descrisse Alcubierre nel suo articolo, “The warp drive: hyper-fast travel within General Relativity”:

È possibile modificare lo spaziotempo in un modo che consenta a un’astronave di viaggiare con una velocità arbitrariamente grande. Con un’espansione puramente locale dello spaziotempo dietro l’astronave e una contrazione opposta davanti ad essa, è possibile un movimento più veloce della velocità della luce visto dagli osservatori al di fuori della regione disturbata. La distorsione che ne risulta ricorda il “motore a curvatura” della fantascienza“.

Secondo Alcubierre, la teoria quantistica dei campi consente l’esistenza di regioni dello spaziotempo con densità di energia negative. Questo è noto come effetto Casimir, che descrive la forza attrattiva tra due superfici nel vuoto. Se si potesse creare un “anello” di massa negativa attorno a un veicolo spaziale, lo spaziotempo potrebbe teoricamente contrarsi davanti alla nave ed espandersi dietro, consentendo al veicolo spaziale di viaggiare effettivamente più velocemente della velocità della luce.

L’astronave non violerebbe la Relatività poiché sta semplicemente cavalcando un’onda generata dall’espansione e dalla contrazione dello spaziotempo locale. Consentirebbe inoltre al veicolo spaziale di evitare gli effetti relativistici del viaggio rapido attraverso lo spazio, come la dilatazione del tempo (il tempo rallenta man mano che la velocità della luce si avvicina), il massiccio aumento della massa inerziale e l’estrema energia richiesta per continuare ad accelerare.

Secondo l’articolo originale di Alcubierre, la quantità di massa negativa richiesta per ottenere un campo di curvatura era al di là di qualsiasi cosa l’umanità potesse ottenere. Tuttavia, numerosi studi hanno presentato stime riviste della quantità di massa esotica richiesta che la collocano nel regno delle possibilità. Il più notevole di questi studi è stato il lavoro del Dr. Harold “Sonny” White, l’ex capo dell’Advanced Propulsion Physics Research Laboratory (NASA Eagleworks) presso il Johnson Space Center della NASA.

Il lavoro del Dr. White sui campi di curvatura è iniziato nel 2011. Dopo aver eseguito un’analisi di sensibilità con le equazioni di campo di Alcubierre, si rese conto che la densità di energia del vuoto negativo poteva essere notevolmente ridotta. Il Dr. White pubblicò questi risultati un anno dopo in un documento intitolato “Warp Field Mechanics 101“.

Questo articolo si basa su precedenti ricerche di uno dei colleghi del Dr. White, l’astrofisico Richard Obousy. Nel 2009, Obousy è stato coautore di un documento intitolato “L’energia di Casimir e la possibilità di una manipolazione dimensionale superiore”, in cui ha sostenuto che gli acceleratori di particelle di nuova generazione potrebbero produrre campi del Modello standard che potrebbero regolare la densità dell’energia oscura localmente e modificare l’espansione di spazio tempo.

Tra il 2012 e il 2019, il dottor White e i suoi colleghi della NASA hanno studiato la possibilità di un motore a curvatura Alcubierre. Da allora, ha continuato a perseguire questi sforzi attraverso il Limitless Space Institute, insieme ad altri concetti di propulsione avanzati. Tuttavia, il concetto è ancora molto nel regno della teoria e per nulla vicino a essere realizzato.

E quindi?

Come notato, saranno necessari metodi di propulsione esotici se l’umanità vorrà mai uscire dal Sistema Solare e diventare una specie interplanetaria. Tuttavia, la maggior parte dei metodi proposti fino ad oggi rappresenta una sfida ingegneristica eccessiva, troppo costosa, che necessita progressi tecnologici significativi e scoperte future.

In questo momento, l’unico concetto che sembra fattibile e all’interno del regno delle possibilità è quello della propulsione energetica diretta. Nei prossimi decenni, potrebbe diventare una caratteristica regolare dell’esplorazione spaziale: vele solari con minuscoli veicoli spaziali delle dimensioni di uno smartphone inviati in tutto il Sistema Solare e oltre per esplorare pianeti, lune e altri oggetti celesti.

Per coloro che lavorano per realizzare questa tecnologia di propulsione, queste missioni servirebbero come missioni esploratrici, per aprire la strada a veicoli spaziali più grandi che seguirebbero. Nel frattempo, altri concetti di propulsione potrebbero essere in grado di maturare fino al punto di diventare possibili. Passo dopo passo, potremmo ritrovarci a inviare esploratori robotici più sofisticati nello spazio, culminando nelle prime missioni interstellari con equipaggio.

Forse sarà così che le generazioni future esploreranno e alla fine si stabiliranno oltre il Sistema Solare. Con abbastanza tempo, forse metteranno radici in una parte significativa della galassia. Solo il tempo, e la continua ricerca e sviluppo, ce lo diranno.

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