Da quando gli astronomi hanno scoperto che la Terra e il Sistema Solare non sono unici nel cosmo, l’umanità sogna il giorno in cui potremmo esplorare le stelle e stabilirci su pianeti extrasolari. Sfortunatamente, le leggi della fisica impongono rigide limitazioni alla velocità cui è possibile viaggiare nel nostro Universo, come ci insegna la Teoria della Relatività Generale di Einstein. Secondo questa teoria, la velocità della luce è costante e assoluta e gli oggetti che gli si avvicinano sperimenteranno un aumento della loro massa inerziale (richiedendo quindi più massa per accelerare ulteriormente).
Sebbene, secondo la relatività, nessun oggetto può raggiungere o superare la velocità della luce, potrebbe esserci una scappatoia teorica che potrebbe consentire il viaggio più veloce della luce (FTL). È nota come Alcubierre Warp Metric e descrive un campo di curvatura che contrae lo spaziotempo davanti a un’astronave e lo espande dietro. Ciò consentirebbe alla navicella spaziale di viaggiare effettivamente più velocemente della velocità della luce senza violare la relatività o la causalità. Per più di un decennio, il dottor Harold “Sonny” White ha studiato questa teoria nella speranza di avvicinarla alla realtà.
In precedenza, il dottor White ha perseguito lo sviluppo di un Alcubierre Warp Drive con i suoi colleghi presso l’Advanced Propulsion Physics Research Laboratory (NASA Eagleworks) presso il Johnson Space Center della NASA. Nel 2020 ha iniziato a lavorare con ingegneri e scienziati presso il Limitless Space Institute, un’organizzazione senza scopo di lucro dedicata all’istruzione, alla divulgazione, alle borse di ricerca e allo sviluppo di metodi di propulsione avanzati, che sperano culmineranno nella creazione del primo warp drive.
Campi di curvatura 101
Sebbene l’idea di “motori a curvatura” e FTL ci accompagni da decenni, questi concetti sono stati in gran parte materia di fantascienza e pura speculazione. Non è stato fino al 1994 che è stata avanzata una proposta effettiva per spiegare come FTL potesse funzionare nel regno della fisica conosciuta. Il merito di ciò va al fisico teorico messicano Miguel Alcubierre, che ha proposto quello che sarebbe diventato noto come “Alcubierre Drive” come parte del suo dottorato di ricerca.
Nel suo articolo di ricerca, “The warp drive: hyper-fast travel within general relativity“, ha offerto una possibile soluzione alle equazioni di campo di Einstein che considera come un veicolo spaziale potrebbe raggiungere un viaggio apparente più veloce della luce (FTL) senza violare la relatività. Alcubierre ha concluso che è possibile, a condizione che si possa creare un campo con una densità di energia inferiore al vuoto dello spazio (ovvero massa negativa o “materia esotica“).
Secondo Alcubierre, la teoria quantistica dei campi consente l’esistenza di regioni dello spaziotempo che hanno densità di energia negativa. Questo è noto come Effetto Casimir, che descrive la forza di attrazione 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. Ciò consentirebbe al veicolo spaziale di viaggiare effettivamente più velocemente della velocità della luce.
“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“, ha scritto. “La distorsione risultante ricorda la “spinta di curvatura” della fantascienza. Tuttavia, proprio come accade con i wormhole, sarà necessaria della materia esotica per generare una distorsione dello spaziotempo“.
Il dottor White ha spiegato il concetto usando una metafora quotidiana. Fondamentalmente, ha detto, è come usare (quello che lui chiama) un “viaggiatore”, quei nastri trasportatori orizzontali nei principali aeroporti:
“Normalmente si cammina a circa tre miglia orarie andando da un cancello all’altro. Ma in alcuni luoghi, hai questi “viaggiatori” orizzontali e ci sali sopra. Quindi stai ancora camminando a tre miglia all’ora, ma anche il nastro si sta muovendo. Concettualmente, il nastro sta contraendo lo spazio davanti a te e espandendo lo spazio dietro di te, in modo da aumentare la tua velocità apparente. Ma a livello locale, stai ancora andando alla stessa velocità.
In questo modo, un oggetto non viola la Relatività poiché sta semplicemente cavalcando un’onda generata dall’espansione e dalla contrazione dello spaziotempo locale. Ciò consentirebbe alla navicella spaziale di aggirare i problemi della dilatazione del tempo (per cui il tempo rallenta quando gli oggetti si avvicinano alla velocità della luce), il massiccio aumento della massa inerziale e l’energia estrema richiesta per continuare ad accelerare.
Secondo il documento originale di Alcubierre, purtroppo, la quantità di massa negativa richiesta per ottenere un campo di curvatura è al di là di qualsiasi cosa l’umanità possa attualmente ottenere. Tuttavia, il suo lavoro è stato rivisitato nei quasi trent’anni da quando l’ha proposto per la prima volta e alcuni dei severi requisiti energetici che ha delineato sono stati riconsiderati. In sostanza, calcoli rivisti hanno mostrato che la quantità di materia esotica richiesta per generare un campo di curvatura potrebbe rientrare nel regno delle possibilità.
La versione rivista del Dr. White sull’Alcubierre Metric è arrivata nel 2011 mentre si preparava a tenere un discorso al primo simposio di 100 anni Starship, un progetto congiunto ospitato dalla NASA e dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA):
“Mi è stato chiesto di tenere un discorso sui lavori spaziali al simposio inaugurale NASA-DARPA 100 Year Starship. Non volevo solo ripetere ciò di cui avevo già parlato in passato, quindi ho esaminato e fatto alcune analisi di sensibilità con le equazioni di campo. Stavo guardando cosa succede quando modifichi alcuni dei parametri di input con il requisito preliminare per i fenomeni, solo perché volevo avere qualcosa di nuovo di cui parlare.
“Nel processo, è diventato molto chiaro che si poteva ridurre significativamente la quantità di densità di energia del vuoto negativa necessaria per far funzionare il trucco, non banalmente”.
L’astrofisico Richard Obousy, ha co-fondato il Progetto Icarus con l’ingegnere di navi stellari Kevin Long nel 2009. In uno studio pubblicato quello stesso anno (“Energia di Casimir e la possibilità di manipolazione dimensionale superiore“), Obousy e il co-autore Aram Saharian ha considerato come le accelerazioni di particelle di prossima generazione potrebbero produrre campi del Modello Standard che potrebbero regolare la densità dell’energia oscura localmente e modificare l’espansione dello spaziotempo.
I loro calcoli hanno inoltre indicato che ciò potrebbe essere fatto con una densità di energia del vuoto negativa più o meno equivalente alle dimensioni di Giove (1,898 × 1024 kg). Sebbene matematicamente possibile, questo fabbisogno energetico è al di là di tutto ciò che possiamo attualmente concepire, per non parlare di realizzare! Tuttavia, il dottor White ha scoperto che riconsiderare il “parametro dello spessore del guscio” della bolla di curvatura ridurrebbe ulteriormente tale fabbisogno energetico.
Come ha spiegato, un guscio di curvatura più spesso ridurrebbe lo sforzo sullo spaziotempo, consentendo così a un veicolo spaziale di raggiungere velocità fino a 10 volte la velocità della luce (10 c ) utilizzando solo due tonnellate (2,2 tonnellate USA) di materia esotica:
“Ho seguito il processo e ho dimostrato che consentire al guscio della bolla di curvatura di diventare più spesso riduce l’ampiezza del campo temporale di York. Pensa a questo come alla tensione che metti sullo spaziotempo. E quindi, rendendo la bolla di curvatura più spessa, potresti ridurre la grandezza del [campo] del tempo di York. Ed è non lineare. E così, così facendo, siamo stati in grado di ridurre la quantità di materia esotica fino a due tonnellate, circa le dimensioni della navicella spaziale Voyager 1″.
Sulla base di questi risultati, che sono stati delineati nel suo articolo fondamentale (“Warp Field Mechanics 101“), il Dr. White ha concluso che un Alcubierre Warp Drive non è solo matematicamente possibile ma plausibile. Per quanto riguarda la fattibilità, ciò richiede ancora che gli scienziati trovino un modo per generare energia negativa, che richiederà una svolta significativa nella fisica.
Tra il 2012 e il 2019, il dottor White e i suoi colleghi della NASA hanno studiato la possibilità di raggiungere questa svolta presso NASA Eagleworks, insieme ad altri concetti di propulsione avanzati (come EM Drive). Da allora, ha continuato a perseguire questi sforzi attraverso il Limitless Space Institute, un’organizzazione senza scopo di lucro dedicata allo sviluppo della scienza e della tecnologia che consentiranno all’umanità di “andare incredibilmente veloce!”
Istituto per lo spazio illimitato
La LSI è stata fondata nel 2020 dall’astronauta Brian K. (BK) Kelly, l’ex direttore delle operazioni di volo presso il Johnson Space Center della NASA prima di ritirarsi nel 2019. Questa organizzazione no-profit è stata fondata con l’obiettivo di far avanzare l’esplorazione spaziale umana oltre il Sistema Solare entro la fine del 21° secolo. A tal fine, la LSI è impegnata in iniziative di istruzione e sensibilizzazione che ispireranno la prossima generazione e la ricerca e lo sviluppo di tecnologie abilitanti.
Per aiutarlo a realizzare questa visione, Kelly si rivolse al dottor Harold “Sonny” White, il suo ex collega al Johnson Space Center. Come ha raccontato il dottor White, il suo coinvolgimento con l’Istituto è iniziato nel 2019 dopo che il suo ex collega lo ha contattato:
Oltre a Kelly e al dottor White, molti ex astronauti e pesi massimi dello spazio commerciale si sono uniti a LSI per realizzare l’obiettivo del viaggio interstellare FTL. Questi includono il suo Consiglio di amministrazione, che è composto da luminari come Gregory “Ray J” Johnson (Segretario del Consiglio). Johnson è un astronauta in pensione della NASA che ha pilotato l’ultima missione dello Space Shuttle (STS-135), avvenuta l’8 luglio 2011, e ha visto lo Space Shuttle Atlantis fare il suo ultimo viaggio verso la Stazione Spaziale Internazionale (ISS).
C’è anche Kam Ghaffarian (Chairman of the Board), ingegnere e imprenditore che è il co-fondatore e Presidente Esecutivo di X-energy, Intuitive Machines, Axiom Space, e il CEO della società di innovazione e investimento IBX. E poi c’è Gwynne Shotwell (Consulente Indipendente del Consiglio), che i fan dei voli spaziali riconosceranno immediatamente come Presidente e Chief Operations Officer (COO) di SpaceX, e membro del loro Consiglio di Amministrazione.
Un progetto in tre fasi
L’obiettivo di realizzare il volo spaziale interstellare, ha affermato il dottor White, è un compito estremamente arduo e richiederà alcune scoperte rivoluzionarie:
“Quando le persone pensano ai viaggi nello spazio oggi, potrebbero pensare di rimandare esseri umani sulla superficie della Luna o rover sulla superficie di Marte a fare cose interessanti. E quelli sono esempi sorprendenti di esplorazione spaziale, ma sono tutti possibili usando la propulsione chimica. Se vogliamo inviare esseri umani nel Sistema Solare esterno, se vogliamo portare un equipaggio dalla Terra a Saturno in 200 giorni, la quantità di energia necessaria per rendere possibile una cosa del genere è semplicemente troppo grande.
In poche parole, non è possibile eseguire missioni a lunga distanza in un ragionevole lasso di tempo usando la propulsione chimica. Perché ciò accada, dice il dottor White, dobbiamo pensare oltre il regno della fisica conosciuta. A tal fine, lui ed i suoi colleghi hanno adottato un piano di ricerca basato su tre grandi categorie di propulsione teorica, ciascuna più avanzata della precedente. Il primo step (Fission) è dedicato al progresso della tecnologia della propulsione elettrica nucleare (NEP), che la NASA e altre agenzie spaziali stanno studiando per i loro futuri obiettivi di esplorazione.
Questo concetto utilizza reattori nucleari per alimentare propulsori ad effetto Hall (ovvero motori a ioni) che ionizzano gas inerti (come lo xeno) per creare un plasma carico utilizzato per generare propulsione. I vantaggi di questo metodo includono il fatto che rientra nel regno della fisica conosciuta ed è stato convalidato da esperimenti passati sia dalla NASA che dai programmi spaziali sovietici. Ciò include il satellite nucleare Systems for Nuclear Auxiliary Power-10A (SNAP-10A) della NASA, testato nel 1965 e volato nello spazio per 43 giorni.
I sovietici, nel frattempo, inviarono nello spazio circa 40 satelliti nucleare-elettrici, il più potente dei quali era il reattore TOPAZ-II che produceva 10 kilowatt di elettricità. C’è anche il Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA), un concetto di propulsione termica nucleare (NTP) sviluppato dalla NASA nel 1968-69. Rispetto alla NEP, questo metodo utilizza un reattore nucleare per riscaldare l’idrogeno propellente e il plasma risultante per generare propulsione. Questo rimane l’unico concetto in grado di generare energia nella gamma dei megawatt (MW), che è assolutamente necessaria per le missioni con equipaggio.
In particolare, il Dr. White e il suo team stanno lavorando a un motore NEP in grado di generare da 2 a 50 MW di potenza che consentirebbe un rapido transito verso Saturno e altre località del Sistema Solare esterno – circa 1.000 UA (149,6 miliardi di km) dal nostro Sole. Tuttavia, questi veicoli spaziali NEP impiegherebbero ancora alcune migliaia di anni per arrivare a Proxima Centauri. Andare più veloce, ha affermato il dottor White, richiede di spingersi oltre la fissione e di spostarsi “un po’ nell’ignoto“.
È qui che entra in gioco il passo successivo di LSI (Fusion), che prevede lo sviluppo della propulsione elettrica a fusione (FEP), che è nella gamma da 50 a 500 MW. Come l’ha descritta il dottor White:
“[I]nvece di fissione e uranio, stiamo usando deuterio e trizio o una qualche combinazione di gas che potremmo fondere a temperature molto elevate quando sono sotto forma di plasma. La propulsione a fusione è un po’ più capace della propulsione nucleare-elettrica. L’unico avvertimento è [che] non abbiamo reattori a fusione in tutto il pianeta. Quindi l’ingegneria di un reattore a fusione, dobbiamo ancora risolverla. Ma in realtà potrebbe essere un po’ più vicina di quanto la maggior parte delle persone pensi.
“Ma la propulsione a fusione ci consentirebbe di inviare grandi carichi utili a Proxima Centauri in 100 anni. Forse meno, se vuoi diventare aggressivo con il delta-v (accelerazione). Ma se vogliamo fare una missione interstellare su Proxima Centauri, e vogliamo arrivarci in 20 anni o meno, è lì che dobbiamo guardare alle frontiere della fisica: spostarci saldamente nell’ignoto”.
È qui che entra in gioco il terzo passaggio (Breakthrough), in cui è necessario compiere progressi significativi nella nostra comprensione della fisica. Questo passaggio richiede di trovare una risposta al modo in cui le quattro forze fondamentali che governano l’Universo si incastrano. Ciò include la Relatività, che descrive come la gravità governa le interazioni su larga scala, e la meccanica quantistica, che descrive come si comporta la materia sulle scale più piccole (i livelli atomici e subatomici).
Fondamentalmente, abbiamo bisogno di una Teoria del Tutto (o una teoria della “gravità quantistica”), che sfugge agli scienziati da circa un secolo. Questo è il motivo per cui il Dr. White e LSI stanno adottando un approccio incrementale che include innovazioni e scoperte future. Queste potrebbero arrivare prima del previsto, ha affermato il dottor White, a causa dell’introduzione dell’intelligenza artificiale, dell’apprendimento automatico e dell’informatica avanzata. Nel frattempo, ci sono molte ricerche da fare che rientrano nel regno della fisica conosciuta.
Progressi fino ad oggi
Con Limitless Space, il Dr. White ed i suoi colleghi stanno attualmente studiando cavità Casimir personalizzate, che consistono in due piastre in una camera a vuoto con pilastri nel mezzo. Questi test mirano a misurare come il vuoto quantistico risponde alle forme all’interno di queste cavità e le caratteristiche previste di queste cavità potrebbero essere misurate. Di recente, il Dr. White e il suo team hanno svolto un lavoro per DARPA, dove queste cavità personalizzate sono state utilizzate per esplorare la possibile esistenza di un campo di polarizzazione del vuoto.
Ma mentre osservava come il vuoto risponde a queste forme, lui e il suo team hanno notato qualcosa di completamente inaspettato:
“Le cavità Casimir personalizzate sono costituite da due piastre e, tra le due piastre, abbiamo dei pilastri. Quando stavamo osservando come i modelli che abbiamo predicono come il vuoto quantistico risponde a quelle geometrie della piastra, quando abbiamo osservato un taglio di sezione bidimensionale della distribuzione dell’energia del vuoto, sembrava un taglio di sezione bidimensionale del distribuzione della densità di energia necessaria per l’Alcubierre Warp Metric.
L’unica disposizione a questa somiglianza quantitativa era che le cavità Casimir personalizzate avevano queste distribuzioni di energia lenticolare di forma prismatica. Al contrario, l’Alcubierre Warp Metric richiede questo anello toroidale di densità di energia del vuoto negativa. Sentendosi vicini, il dottor White e il suo team hanno scelto di implementare un approccio diverso.
“Così abbiamo cercato di creare un modello matematico consistente in una sfera di un micron di diametro centrata all’interno di un cilindro di quattro micron di diametro“, ha detto. “Abbiamo esaminato come il vuoto quantistico risponde alla forma di una tale nanostruttura e si prevede che la nanostruttura manifesti una densità di energia del vuoto negativa che soddisferebbe la metrica di curvatura di Alcubierre”.
Questi risultati dell’analisi numerica sono stati presentati in un documento pubblicato sull’European Physics Journal C – (EPJ C) nel 2021. Questo documento indicava al grande pubblico che un oggetto costruito con una geometria specifica avrebbe manifestato una bolla di curvatura su scala nanometrica. Anche se questo è molto diverso da un veicolo spaziale in grado di viaggiare FTL, è un precedente significativo e un passo in quella direzione. Secondo il dottor White, il passo successivo è creare un esperimento per misurare le proprietà ottiche che questo apparato potrebbe manifestare.
Come sempre, il lavoro continua. Passo dopo passo!
Oggi, molti gruppi di ricerca e senza scopo di lucro si dedicano a trasformare in realtà il volo spaziale interstellare. Gli esempi includono Icarus Interstellar, la British Interplanetary Society (BIS) e il loro spin-off, Tau Zero Foundation. Ci sono anche progetti precedenti come il già citato Breakthrough Starshot, impegnato a creare veicoli spaziali con vele laser che potrebbero raggiungere i sistemi stellari vicini nel corso della nostra vita e confermare se ci sono pianeti abitabili lì (e possibilmente vita).
Mentre l’obiettivo è andare più velocemente e arrivare più lontano, il vero scopo è far crescere l’umanità come specie e migliorare la nostra comprensione della vita e del cosmo. Ciò avrà invariabilmente applicazioni per migliorare la vita sulla Terra, che emergeranno molto prima di qualsiasi concetto FTL. Il dottor White, che si considera un pensatore molto pratico (che si occupa di “cosa c’è sotto il cofano”, come dice lui), ha ancora alcuni pensieri filosofici su come spingersi più lontano nello spazio avrà implicazioni qui a casa:
“Avere un intero Sistema Solare di materiali e risorse cambierebbe il concetto stesso di scarsità. Il diamante è raro, ma se hai un intero Sistema Solare a tua disposizione, forse questo cambia la definizione di cosa sia raro. In secondo luogo, per consentire e facilitare agli esseri umani di attraversare tutte le destinazioni del nostro Sistema Solare, dobbiamo avere una luce compatta e forme di energia molto energetiche.
“Come sappiamo dalla vita qui sulla Terra, la qualità della vita è direttamente legata a quanti watt ha a disposizione ogni cittadino. Avere questa capacità significherà anche che il pianeta Terra [si troverà] in una posizione molto diversa quando si tratta di generare e utilizzare energia. In un futuro in cui potremo “andare incredibilmente veloci” – nel contesto del nostro sistema solare o delle stelle vicine – l’argomento è simile. Cambia l’intero concetto di scarsità e prosperità”.
Forse l’aspetto più importante dei tentativi di realizzare il viaggio FTL e interstellare è il modo in cui ispira le persone. Sapere che la scienza dietro è solida e che l’umanità potrebbe un giorno realizzare il sogno del viaggio interstellare (entro la vita di un individuo) porta speranza alle persone di oggi. Tra tutte le cattive notizie di guerre, pandemie, insurrezioni e cambiamenti climatici, ci sono molti che credono che la civiltà umana non sopravviverà al 21° secolo. Non c’è da meravigliarsi se molti considerano lo spazio come la soluzione e il mezzo per la nostra sopravvivenza a lungo termine.
E per coloro che direbbero “dovremmo prima riparare la Terra“, l’idea di FTL e del volo spaziale interstellare offre una contro-argomentazione. Quale modo migliore per “riparare la Terra” se non riducendo il nostro impatto e la nostra dipendenza da essa? Se e quando l’intero Sistema Solare sarà accessibile e le stelle vicine potranno essere raggiunte nel giro di pochi anni (anziché di millenni), l’umanità avrà i mezzi per garantire che la Terra e la nostra civiltà sopravvivano a qualsiasi calamità.
Per dirla con le parole immortali di Konstantin Tsiolkovsky: “La Terra è la culla dell’umanità, ma non si può vivere per sempre in una culla“.
