Esplorare l’Universo è da sempre una grande ambizione del genere umano e tutte le missioni spaziali a cui abbiamo assistito sino ad oggi, sono state un piccolo passo avanti verso questo progetto così carico di aspettative.
Le missioni spaziali verso altri sistemi stellari del prossimo futuro comporteranno l’accoppiamento di un nanocraft con una vela solare, che verrebbe accelerata da un array di energia diretta (laser) per raggiungere una frazione della velocità della luce (ovvero velocità relativistica). Naturalmente, ciò solleva una serie di sfide tecniche e ingegneristiche, non ultima quella delle comunicazioni. In una nuova ricerca, un team di scienziati ha cercato di affrontare proprio questo problema e ha considerato vari metodi che potrebbero essere utilizzati.
Lo studio, intitolato “Challenges in Scientific Data Communication from Low-Mass Interstellar Probes“, è stato pubblicato di recente su The Astrophysical Journal Letters Supplemental Series ed è stato condotto da David G. Messerschmitt, il professore emerito Roger A. Strauch di ingegneria elettrica e informatica alla UC Berkeley ed è stato portato avanti anche dai coautori il Prof.Philip Lubin, il leader del Gruppo Sperimentale di Cosmologia presso l’UC Santa Barbara – che è anche membro del Comitato di Gestione e Consultivo di Breakthrough Starshot – e il dottor Ian Morrison, ricercatore presso la Curtin University’s International Center for Radio Astronomy Research (ICAR) (precedentemente ricercatore presso la Swinburne University of Technology).
Concetti moderni come Breakthrough Starshot si basano sulla ricerca sperimentata dall’UC Santa Barbara e dal NASA Spacegrant Consortium. Nel 2009, l’Experimental Cosmology Group dell’UCSB (guidato dal coautore Philip Lubin) ha lanciato il programma Directed Energy Propulsion for Interstellar Exploration (aka. DEEP-IN) per ricercare la possibilità di inviare vele solari a velocità relativistiche nelle missioni interstellari.
Nel 2013, questo è stato seguito dall’Iniziativa per gli studi interstellari (i4iS) che ha ospitato un concorso di progettazione chiamato Project Dragonfly. Il concorso richiedeva progetti di veicoli spaziali che si affidassero ai laser per accelerare una vela leggera e un veicolo spaziale al 5% della velocità della luce, consentendo così missioni che potrebbero raggiungere la stella più vicina (Alpha Centauri) in circa un secolo.
È nel 2016 però che la ricerca si è evoluta nelle idee di base adottate per il Breakthrough Starshot il cui obiettivo è quello di accelerare una sonda al 20% della velocità della luce – circa 60.000 km / s (215,85 milioni di km / h; 134 milioni di mph) – per raggiungere Alpha Centauri in soli 20 anni.
Unendo la loro esperienza, Messerschmitt, Lubin e Morrison hanno deciso di trovare il modo più efficace per comunicare con i veicoli spaziali mentre esplorano i sistemi stellari vicini e ci dicono cosa c’è là fuori. Al momento, questo metodo rimane l’unico metodo praticabile per i viaggi interstellari, salvo enormi scoperte tecnologiche. Come il dottor Messerschmit ha detto a Universe Today via e-mail: “Le sonde a bassa massa spinte dall’energia diretta con comunicazione ottica laser dei dati sulla Terra sono l’unico metodo conosciuto oggi che può produrre sonde interstellari realizzabili a velocità relativistiche con la tecnologia del 21° secolo. Naturalmente, ci sono molti scienziati e ingegneri che stanno prendendo in considerazione altre opzioni come l’annichilimento dell’antimateria e la fusione nucleare, e possiamo aspettarci progressi verso soluzioni fattibili in quei domini tecnologici con il progredire del secolo”.
Per oltre cinquant’anni, la NASA si è affidata al Deep Space Network (DSN) per comunicare con le missioni che operano nello spazio profondo. Questa rete internazionale di antenne radio giganti – che si trovano al di fuori di Goldstone (California), Madrid (Spagna) e Canberra (Australia) – ha supportato tutte le missioni interplanetarie della NASA e alcune missioni in orbita terrestre bassa (LEO).
La NASA sta già cercando di creare un’infrastruttura di comunicazione più robusta per gestire l’enorme quantità di traffico radio che si aspetta dalle future missioni sulla Luna, su Marte e oltre. Ma per le missioni che viaggiano a velocità relativistiche a distanza di anni luce, sarà necessario un sistema particolarmente potente ed efficiente per gestire le comunicazioni.
“Per i nostri programmi NASA Starlight e Breakthrough Starshot (Directed Energy relativistic propulsion), il problema delle comunicazioni di recuperare i dati da qualsiasi missione interstellare rimane un problema di ottenere una frequenza fotonica sufficiente dalla missione sulla Terra data la distanza estrema e la potenza relativamente bassa del veicolo spaziale budget per le missioni attualmente previste“, ha sottolineato Lubin.
Messerschmitt, Lubin e Morrison hanno considerato le stesse sfide, ma si sono concentrati sui limiti fisici e statistici fondamentali di un sistema di comunicazione piuttosto che sull’implementazione. Considerano la latenza dei dati rispetto al compromesso del volume, utilizzando un singolo ricevitore per indirizzare più sonde e potenziali interferenze dall’atmosfera terrestre, nonché radiazioni cosmiche e di fondo.
“All’inizio, ci concentreremo su queste sonde di massa molto piccole come un mezzo per ottenere un volo relativistico (massa del veicolo spaziale inferiore = velocità più alta) ma mentre queste sono le sonde più facili da raggiungere a velocità relativistiche, sono le più difficili da ricevere indietro a causa della loro bassa potenza disponibile per le comunicazioni (potenza di trasmissione) E della loro limitata capacità di trasportare l’ottica di trasmissione”, ha spiegato lo scienziato.
Tuttavia, il team ha scoperto che era possibile inviare e ricevere molti dati (anche con piccole sonde) su distanze interstellari. Per i principianti, hanno stabilito che un sistema di modulazione della posizione dell’impulso a raffica (BPPM), in cui i bit sono codificati trasmettendo singoli impulsi a intervalli, sarebbe utile. Sul lato ricevente, hanno scoperto che sarebbe stato necessario costruire un gran numero di telescopi ottici per aumentare l’area del ricevitore sulla Terra.
In altre parole, la loro ricerca evidenzia la necessità non solo di un array DE su larga scala per il bene della propulsione, ma anche di un ricevitore di dati lato Terra su larga scala ottimizzato per le comunicazioni ottiche (laser) piuttosto che per le comunicazioni radio – ciò che Lubin fa riferimento come “Interstellar Deep Space Network (IDSN). Lo sviluppo di questi concetti di trasmissione e ricezione alla fine va di pari passo.
Naturalmente, entrambi questi concetti richiederanno una significativa innovazione tecnologica e invenzione, specialmente quando si tratta di compensare cose come lo spostamento Doppler, le interferenze atmosferiche, le interferenze da sorgenti stellari o di fondo e le distanze coinvolte. Ma come ha spiegato Messerschmitt, queste sfide erano vere per tutti i precedenti programmi spaziali: “Far volare una singola sonda e ricevere dati scientifici è una seria sfida tecnica. Alcune capacità tecnologiche necessarie come rivelatori ottici con conteggi di oscurità molto bassi e sorgenti ottiche di massa ridotta sulla sonda con potenze di picco molto elevate non sono disponibili oggi, ma trarranno vantaggio dal progresso tecnologico generale e dagli sforzi di sviluppo specifici per questo progetto. Una volta che la tecnologia sarà disponibile, la costruzione effettiva dell’infrastruttura Earthbound sarà molto costosa; tuttavia, questo è vero anche per i programmi esistenti di missili chimici”.
