La nanonavicella progettata dal progetto “Breakthrough Starshot” potrebbe sopravvivere al viaggio interstellare?

Accelerando una "vela laser" a frazioni apprezzabili della velocità della luce, si spera di inviare una nanonavicella spaziale verso destinazioni interstellari nell'arco di decenni invece che millenni

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Intraprendere un viaggio interstellare è da sempre un sogno apparentemente irraggiungibile, reso praticamente impossibile dalle enormi distanze che separano il nostro Sole da tutti i nostri vicini stellari. Anche con la tecnologia missilistica più potente mai sviluppata, ci vorrebbero decine di migliaia di anni per raggiungere la stella più vicina al nostro Sistema Solare. Anche le navicelle spaziali più veloci e arrivate più lontano mai lanciate dalla Terra, come le missioni Voyager, Pioneer e New Horizons, si muovono solo a poche decine di chilometri al secondo, il che significa che per un viaggio di pochi anni luce saranno necessarie mille vite umane per completarlo.

Ma di recente, un’idea che sfrutta i recenti sviluppi nella tecnologia laser ha portato la speranza di cambiare tutto questo: Breakthrough Starshot. Accelerando una “vela laser” a frazioni apprezzabili della velocità della luce, sperano di inviare una nanonavicella spaziale verso destinazioni interstellari nell’arco di decenni invece che millenni. Ma questa nanonavicella spaziale sopravviverebbe al viaggio?

L’unico modo in cui ci siamo avventurati oltre il pianeta Terra è attraverso la tecnologia dei missili: dove vengono consumati carburante ed energia, creando spinta e quella spinta accelera il veicolo spaziale. Attraverso incontri gravitazionali con altri oggetti massicci, come i pianeti all’interno del nostro Sistema Solare, possiamo dare a questi veicoli spaziali “calci extra” (fionda gravitazionale), accelerandoli a velocità ancora maggiori.

Fondamentalmente, è la spinta dei razzi stessi ad essere limitata, poiché funzionano con carburante chimico. Quando si estrae energia attraverso le reazioni chimiche, sono le transizioni nel modo in cui elettroni e atomi sono legati insieme che libera energia, e quell’energia è solo una frazione estremamente piccola della massa totale coinvolta: qualcosa come un milionesimo di percento della massa può convertirsi in energia.

Se potessimo sfruttare un combustibile più efficiente, ad esempio con reazioni nucleari o annichilimenti materia-antimateria, sarebbe possibile convertire in energia una parte maggiore della massa a bordo del razzo, consentendoci di raggiungere velocità maggiori e accorciando i nostri viaggi verso luoghi lontani. Tuttavia, si tratta di tecnologie che non esistono ancora, e quindi i viaggi nello spazio restano limitati da questi fattori. Almeno, finora.

L’idea rivoluzionaria del progetto Breakthrough Starshot si basa sui recenti progressi nella tecnologia laser. La quantità di potenza di cui sono capaci i singoli laser, così come il livello di collimazione che i laser possono raggiungere, sono aumentati sostanzialmente negli ultimi due decenni, mentre il costo dei laser ad alta potenza è diminuito insieme a questi sviluppi. Di conseguenza, puoi immaginare uno scenario ideale, come segue.

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  • Nello spazio viene costruita una serie di laser ad alta potenza.
  • Una serie di veicoli spaziali basati sulla nanotecnologia sono costruiti e attaccati a una “vela” sottile, leggera, altamente riflettente ma robusta.
  • La massa totale della navicella e della vela, combinate, arriva solo a circa un grammo.
  • Quindi l’array laser spara a un nanoveicolo alla volta, accelerandolo in una direzione – verso la sua destinazione interstellare finale – alla massima velocità possibile il più a lungo possibile.
  • Dopo un viaggio attraverso il mezzo interstellare, il nanoveicolo arriva a destinazione, dove raccoglie informazioni, acquisisce dati e li trasmette attraverso la stessa distanza interstellare, fino alla Terra.

Questo è lo “scenario da sogno” ma anche troppo ottimista, in dettaglio, per essere considerato dal team di Breakthrough Starshot.

Intanto, i progettisti di Breakthrough Starshot non immaginano un array laser nello spazio, ma piuttosto a terra, dove, però, i laser stessi sono dispersi dall’atmosfera: a fronte di un risparmio sui costi che elimina la necessità di lanciare e assemblare l’array nello spazio, scenderebbe notevolmente il rendimento, come ha affermato il direttore tecnico di Breakthrough Initiatives Pete Klupar:

Lo sforzo principale (e il finanziamento) si concentra sulla capacità di combinare in modo coerente un numero quasi infinito di laser“.

Anche con l’attuale migliore ottica adattiva e le tecnologie phased array implementate, un array laser terrestre, anche ad alta quota, dovrebbe vedere miglioramenti di un fattore compreso tra 10 e 100 per essere praticabile.

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Inoltre, anche le superfici più riflettenti conosciute dall’umanità – che riflettono il 99,999% dell’energia incidente su di esse – assorbirebbero attualmente circa lo 0,001% dell’energia totale che le colpisce. Questo è, almeno al momento, doppiamente catastrofico.

  1. Incenererebbe la vela in breve tempo, rendendola inutile e incapace di accelerare fino a raggiungere i parametri di progetto.
  2. La vela stessa, pur essendo accelerata dai laser incidenti, sperimenterà una forza differenziale su di essa attraverso la sua superficie, creando una coppia e facendo ruotare la vela, rendendo impossibile un’accelerazione continua e diretta.

Ci sono una serie di ulteriori ostacoli che pongono difficoltà che vanno ben oltre i limiti della tecnologia attuale, e ognuno di essi deve essere superato per raggiungere l’obiettivo desiderato di Breakthrough Starshot: un compito erculeo.

L’obiettivo dell’iniziativa Breakthrough Starshot è tremendamente ambizioso: viaggiare fuori dal Sistema Solare attraverso lo spazio interstellare che separa il nostro Sistema Solare dal sistema stellare più vicino: il sistema Proxima/Alpha Centauri. Non lasciarti ingannare da quanto sembra vicino in questa immagine; la scala è logaritmica. ( Credito : NASA/JPL-Caltech)

Ma assumiamo, per amor di discussione, che tutti questi ostacoli saranno, superati. Potremo:

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  • creare una serie di laser sufficientemente potenti e sufficientemente collimati,
  • creare una nanonavicella del peso di un grammo con tutta l’attrezzatura adeguata integrata nel suo chip,
  • creare una vela leggera sufficientemente riflettente, leggera e stabile contro le rotazioni,
  • potremo accelerare e dirigere questo veicolo spaziale verso il sistema stellare più vicino: Proxima/Alpha Centauri.

Supponiamo anche di poter raggiungere le velocità desiderate: il 20% della velocità della luce, o ~60.000 km/s. È circa 300 volte la velocità di una tipica stella attraverso la nostra galassia, o qualche migliaio di volte la velocità relativa delle stelle attraverso il mezzo interstellare.

Finché rimaniamo all’interno del Sistema Solare, la minaccia più grande viene dalle particelle di polvere, o dai micrometeoroidi che tipicamente perforano i veicoli spaziali che lanciamo nelle vicinanze del nostro pianeta. Il grande nemico nel mantenere intatta la nostra navicella spaziale è semplicemente l’energia cinetica, che – anche al 20% della velocità della luce – è ancora ben approssimata dalla nostra semplice formula non relativistica: KE = ½ mv² , dove m è la massa e v è la velocità relativa delle particelle che entrano in collisione con il nostro oggetto.

Questa immagine mostra un foro che è stato praticato nel pannello del satellite Solar Max della NASA da un impatto di un micrometeoroide. Sebbene questo buco sia probabilmente derivato da un pezzo di polvere molto più grande di quello che potrebbe incontrare un nanocraft Breakthrough Starshot, l’energia cinetica dovuta agli impattatori è dominata da particelle piccole, non grandi. ( Credito : NASA)

Una volta lasciato il Sistema Solare, tuttavia, la densità e la distribuzione delle dimensioni delle particelle che un veicolo spaziale in viaggio incontrerà cambiano. I migliori dati che abbiamo per questo provengono da una combinazione di modellazione, osservazioni remote e campionamento diretto per gentile concessione della missione Ulisse. La densità media di una particella di polvere cosmica è di circa 2,0 grammi per centimetro cubo, ovvero circa il doppio della densità dell’acqua. La maggior parte delle particelle di polvere cosmica sono minuscole e di massa ridotta, ma alcune sono più grandi e massicce.

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Se fossi in grado di ridurre la dimensione della sezione trasversale dell’intera navicella spaziale a un solo centimetro quadrato, ti aspetteresti, in un viaggio di circa 4 anni luce, di non incontrare particelle di diametro pari o superiore a circa 1 micron; avresti solo circa il 10% di possibilità di farlo. Tuttavia, se guardi alle particelle più piccole, inizi ad anticipare un numero molto maggiore di collisioni:

  • 1 collisione con particelle di circa 0,5 micron di diametro,
  • 10 collisioni con particelle di circa 0,3 micron di diametro,
  • 100 collisioni con particelle di circa 0,18 micron di diametro,
  • 1000 collisioni con particelle di circa 0,1 micron di diametro,
  • 10.000 collisioni con particelle di circa 0,05 micron di diametro,
  • 100.000 collisioni con particelle di circa 0,03 micron di diametro,
  • 1.000.000 di collisioni con particelle di circa ~0,018 micron di diametro,
  • e ~ 10.000.000 di collisioni con particelle di circa ~ 0,01 micron di diametro.
Questa immagine al microscopio elettronico a scansione mostra una particella di polvere interplanetaria su una scala leggermente superiore a ~1 micron. Nello spazio interstellare, abbiamo solo inferenze su quale sia la distribuzione della polvere, in termini sia di dimensioni che di composizione, specialmente all’estremità dello spettro di piccola massa e piccola dimensione. ( Credito : EK Jessberger et al., in Interplanetary Dust, 2001)

Potresti non pensare che questo sia un grosso problema, incontrare un numero così grande di particelle così minuscole, specialmente se consideri quanto sarebbe minuscola la massa di tali particelle. Ad esempio, la particella più grande che colpiresti, con un diametro di 0,5 micron, avrebbe solo una massa di circa 4 picogrammi (4 × 10^-12 g). Quando si arriva a una particella di ~0,1 micron di diametro, la sua massa sarebbe di appena 20 femtogrammi (2 × 10^-14 g). E con una dimensione di ~0,01 micron di diametro, una particella avrebbe solo una massa di 20 attogrammi (2 × 10^-17 g).

Ma questo, quando fai i conti, è disastroso. Non sono le particelle più grandi che impartiscono più energia a un veicolo spaziale che viaggia attraverso il mezzo interstellare, ma quelle più piccole. Al 20% della velocità della luce, una particella di circa 0,5 micron di diametro impartirà 7,2 Joule di energia a questo minuscolo veicolo spaziale, o circa l’energia necessaria per sollevare un peso di ~2,3 kg da terra a sopra la tua testa.

Ora, una particella di circa 0,01 micron di diametro, anch’essa in movimento a circa il 20% della velocità della luce, impartirà solo 36 micro-Joule di energia allo stesso veicolo spaziale: quella che sembra una quantità trascurabile.

Sebbene l’idea di utilizzare una vela leggera per spingere un microchip attraverso lo spazio interstellare sparando una serie di potenti laser sulla vela sia avvincente, ci sono attualmente ostacoli insormontabili per portarla a compimento. Questo non è assolutamente qualcosa che verrebbe scambiato per un intruso interstellare come ‘Oumuamua. ( Credito : Breakthrough Starshot)

Ma queste ultime collisioni sono dieci milioni di volte più frequenti delle collisioni che dovrebbero verificarsi con particelle più grandi. Quando osserviamo la perdita di energia totale prevista dai granelli di polvere che sono ~0,01 micron o più grandi, è semplice calcolare che ci sono un totale di circa ~800 Joule di energia che verranno depositati in ogni centimetro quadrato di questo veicolo spaziale dalle collisioni con le particelle di polvere di varie dimensioni nel mezzo interstellare.

Anche se sarà distribuita, nel tempo e sull’area della sezione trasversale di questo minuscolo veicolo spaziale, si tratta di un’enorme quantità di energia per qualcosa che ha una massa di solo circa 1 grammo. Questo ci insegna alcune lezioni preziose.

  1. L’attuale idea di Breakthrough Starshot, di applicare un rivestimento protettivo di un materiale come il rame al berillio alla nanonavicella, è assolutamente insufficiente.
  2. La vela laser, di per sé, correrà il rischio di essere completamente distrutta in breve tempo e causerà anche una notevole resistenza alla nanonavicella se non verrà sganciata o (in qualche modo) richiusa dopo che si è verificata l’accelerazione laser iniziale.
  3. E che anche le collisioni di oggetti ancora più piccoli – cose come le molecole, gli atomi e gli ioni che esistono nel mezzo interstellare – si sommeranno e avranno potenzialmente effetti cumulativi ancora maggiori rispetto alle particelle di polvere.

Ci sono, naturalmente, soluzioni intelligenti a molti di questi problemi che sono disponibili. Ad esempio, se hai stabilito che la vela leggera stessa subirà troppi danni o rallenterà troppo il tuo viaggio, potresti semplicemente staccarla una volta completata la fase di accelerazione con i laser. Se hai progettato la tua nanonavicella – la parte del “veicolo spaziale” dell’apparato – in modo che sia molto sottile, potresti farlo viaggiare in modo da ridurre al minimo la sua sezione trasversale. E se determinassi che il danno degli ioni sarebbe sostanziale, potresti potenzialmente creare una corrente elettrica continua attraverso il veicolo spaziale, generando un proprio campo magnetico per deviare le particelle cosmiche cariche.

Tuttavia, ciascuno di questi interventi ha i suoi inconvenienti. L’obiettivo della missione è non solo raggiungere un sistema stellare distante, ma anche registrare dati e ritrasmetterli sulla Terra. Se si sgancia la vela laser, si perde la capacità di trasmettere quei dati, poiché la vela stessa è stata progettata per partecipare alla trasmissione dei dati. Se rendi il tuo veicolo spaziale molto sottile, allora devi preoccuparti delle collisioni che gli conferiscono momento angolare, dove il veicolo potrebbe finire per ruotare fuori controllo. E qualsiasi campo magnetico generato dal veicolo spaziale corre il rischio di cambiare drasticamente la sua traiettoria, poiché il mezzo interstellare contiene anche campi elettrici e magnetici non trascurabili, che interagiscono.

L’abbondante quantità di spazio tra le stelle e i sistemi stellari nelle nostre vicinanze non è completamente vuota, ma è piena di gas, polvere, molecole, atomi, ioni, fotoni e raggi cosmici. Più velocemente ci muoviamo attraverso di essa, più danni subiremo, indipendentemente dalle dimensioni o dalla composizione della nostra navicella spaziale. ( Credito : NASA/Goddard/Adler/U. Chicago/Wesleyan)

La cosa migliore, al momento, che si può affermare sull’iniziativa Breakthrough Starshot è che non ci sono violazioni delle leggi note della fisica che devono verificarsi affinché la missione abbia successo. Abbiamo “solo” bisogno, e questa è una definizione molto vaga di “solo”, di superare un’enorme serie di problemi ingegneristici che non sono mai stati affrontati su una scala come questa. Per mantenere operativa questa nanonavicella spaziale durante un viaggio pluridecennale ad altissima velocità attraverso più anni luce di spazio interstellare saranno necessari progressi che sono di gran lunga superiori a ciò che viene ricercato attivamente oggi.

Tuttavia, affrontare i problemi più impegnativi e ambiziosi è spesso il modo in cui abbiamo ottenuto i più grandi passi avanti e le scoperte nel campo della scienza e della tecnologia. Anche se probabilmente non saremo, come gli scienziati dietro l’iniziativa amano sostenere, in grado di raggiungere un altro sistema stellare e comunicare da esso nell’arco delle nostre vite attuali, ci sono tutte le ragioni per fare il tentativo più serio possibile in tal senso. Mentre dovremmo aspettarci pienamente di fallire in dozzine di modi nuovi e spettacolari lungo il viaggio, quei tentativi falliti sono esattamente ciò che è necessario per aprire la strada finale al successo. Dopotutto, la più grande follia, quando si cercano le stelle, è non riuscire nemmeno a fare il tentativo.