Dal sistema solare ai viaggi interstellari: vele solari e propulsione antimateria

Les Johnson, autore del nuovo libro A Traveller's Guide to the Stars, ha parlato con Wired dei viaggi interstellari

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Dal sistema solare ai viaggi interstellari: vele solari e propulsione antimateria
Dal sistema solare ai viaggi interstellari: vele solari e propulsione antimateria

Les Johnson è l’autore del libro “A Traveller’s Guide to the Stars” (Guida galattica per le stelle). Johnson è capo del progetto NEA Scout, un Cubesat che sarà spinto nello spazio verso un asteroide da una vela solare.

Nel corso di un’intervista a Wired, Johnson ha parlato di viaggi interstellari. Infatti, al di fuori del suo lavoro quotidiano alla NASA, il nostro uomo scrive anche libri di saggistica e fantascienza, molti dei quali hanno proprio come tema principale viaggi di questo genere, ancora purtroppo una chimera per l’essere umano.

Viaggi interstellari: l’amore di Les Johnson per Star Trek

Nella sua Guida galattica, Les Johnson esplora i tipi di sistemi di propulsione che potrebbero un giorno trasformare in realtà queste spedizioni nello spazio profondo. Nel corso dell’intervista è stato chiesto a Johnson cosa lo abbia ispirato a studiare i sistemi di propulsione spaziale. La risposta è stata… Star Trek!

Johnson è infatti un fan  della fantascienza e un sostenitore dell’esplorazione spaziale e dei viaggi nello spazio sin da quando era alle elementari. Quando Neil Armostrong camminò sulla Luna, lui aveva solo 7 anni e da lì probabilmente scattò l’amore per le stelle e le galassie. Amore alimentato dalla visione del precitato Star Trek e di Lost in Space.

Il funzionamento di una vela solare

Les Johnson ha spiegato anche il funzionamento di una vela solare. Il perché lo diremo a breve. A far capire meglio di cosa si sta parlando, prendiamo come esempio Wikipedia, che afferma come una vela solare sia “una forma di propulsione spaziale che sfrutta la pressione di radiazione. Alla distanza della Terra dal Sole la pressione di radiazione è pari a 4,563×10⁻⁶ Pa e decresce con il quadrato della distanza dalla sorgente di luce“. Non avete capito nulla? Beh, vi basti sapere che è una vela che fluttua nello spazio ed è un elemento molto importante per l’argomento principale dell’articolo. Johnson ha spiegato che la vela solare funziona solo grazie alla luce.

La luce è composta da fotoni e quei fotoni non hanno massa, ma hanno slancio, come una molecola d’aria nel vento. E proprio come una barca a vela su un lago o sull’oceano, quando il vento soffia contro la vela, parte della quantità di moto delle particelle d’aria viene catturata dalla vela che spinge la barca nella direzione in cui si muove il vento. Nello spazio, quando i fotoni di luce si riflettono sulla vela, la luce cede un po’ della sua energia e della sua quantità di moto e quella quantità di moto spinge la vela. Questa potrebbe essere la base per iniziare a parlare concretamente dei viaggi interstellari.



Il contributo del Sole

Ma perché la vela solare è così importante per poter pensare ai futuri (ed eventuali) viaggi interstellari? A spiegarlo è sempre Les Johson: “Usciamo alla distanza della Terra dal Sole, 1 UA, 93 milioni di miglia. Quando spieghi una vela di qualsiasi dimensione, diciamo che è di cento metri quadrati, la luce del Sole che cade su di essa la spinge. Quando ti allontani dal Sole, l’intensità della luce solare diminuisce abbastanza rapidamente, così come la spinta, ma se si schiera una vela più vicina al sole, il livello di spinta aumenta notevolmente“.

E inoltre: “Se hai una vela abbastanza leggera, puoi ottenere un’accelerazione davvero grande. Se entri bene nell’orbita di Mercurio e hai una vela che pesa solo 1 o 2 grammi per metro quadrato, che è circa venti volte meglio di quanto possiamo fare oggi, e hai una vela di un chilometro quadrato, se aggiungi un laser per potenziare la spinta, puoi ottenere una spinta sufficiente per uscire dal sistema solare a una frazione significativa della velocità della luce, come il dieci percento. È incredibile. È qui che puoi fare un viaggio che ti porterà ad Alpha Centauri in centinaia di anni, al contrario delle migliaia o decine di migliaia previsti per i razzi chimici“.

Il grafene è la soluzione

Les Johnson ha ricordato come sia il grafene l’elemento fondamentale per costruire una simile vela.  È un singolo strato di carbonio. Ha tutte le proprietà termiche e meccaniche necessarie per costruire questa enorme vela; devi solo metterci sopra qualcosa per renderlo riflettente, come uno strato di alluminio. E all’improvviso, questo sembra possibile.

Non sappiamo ancora come progettare qualcosa di così grande. Ma siamo passati da un materiale che non esiste a uno che esiste negli ultimi due decenni. E spingendo con un laser ad alta potenza, come vogliono fare le persone del Breakthrough Starshot, è come se la spinta arrivasse da molti soli, il che significa che puoi accelerare a velocità molto più elevate, potenzialmente fino a 5, 10, 20 percento della velocità della luce. E tutto questo senza violare le leggi della fisica. Certo, ancora nessuno sa come costruire queste cose, ma ci riusciremo!


Non è però finita qui: stiamo esplorando sistemi di propulsione speculativi come la fusione pulsata e l’antimateria.

Ci sono alcuni modi per arrivare alle stelle. Uno sono le vele: vele leggere, vele solari. I razzi chimici semplicemente non hanno abbastanza densità di energia per farlo. I razzi nucleari termici utilizzano fondamentalmente una versione in scala di un reattore nucleare che produce energia elettrica. Questo è un miglioramento delle prestazioni rispetto a un razzo chimico ed è qualcosa che penso dovremmo fare per l’esplorazione del nostro sistema solare, ma non ci porterà tra le stelle. Non puoi trasportare abbastanza carburante nella massa che hai a disposizione per farlo funzionare così a lungo.

C’è anche la fusione, su cui si sta lavorando per cercare di avere una fonte di energia più pulita sulla Terra. In pratica, invece di dividere gli atomi, li combiniamo, imitando il modo in cui il Sole produce energia. Si tratta di comprimere strettamente gli atomi di idrogeno fino a quando non diventano elio, e poi emettono energia. Se riesciremo a farlo in una reazione controllata, otterremo molta più energia di quella che immettiamo per avviare la fusione. Potremmo usare la fusione come sistema di propulsione. Dovrebbe essere un razzo davvero grande, perché dovrebbe trasportare molto carburante ma funzionerebbe. Potremmo arrivare alle poche stelle più vicine, come forse Proxima Centauri, ma non Ross 248, che dista 10 anni luce.

Uno dei miei preferiti dopo quello è l’antimateria. È reale. Nelle reazioni ad alta energia, come al collisore del CERN in Europa e altri acceleratori di particelle, quando facciamo collidere atomi insieme ad alta velocità, molte cose si rompono e volano via. Ma una cosa curiosa che la gente ha scoperto è che ci sono cose che sembrano un protone, hanno la massa di un protone, ma hanno una carica negativa. E poi ci sono queste cose più leggere che sembrano elettroni, ma hanno una carica positiva. Quindi gli scienziati hanno preso questi antiprotoni, li hanno combinati con i positroni e hanno creato anti-idrogeno. Lo abbiamo fatto con piccole quantità, perché quando queste antiparticelle incontrano le loro controparti di materia normale, subiscono, in termini fisici, l’annientamento. Quella massa, però, viene trasformata in energia. Esplodono ed emettono raggi gamma, tutti i tipi di particelle secondarie: è un’esplosione molto energetica.

Potremmo prendere molta di questa antimateria, conservarla in un vuoto perfetto, e poi poiché serveper la massa di reazione per spingere l’astronave, generare un flusso che entra e si annichila con la materia normale e usi quell’energia così generata. Non sappiamo come farlo, ma la natura dice che è possibile. Meglio, però, non costruire questo sulla Terra, perché servirebbero tonnellate di antimateria. Se ne perdessimo il controllo, sarebbe un disastro.

Sepolta lì dentro c’è un’altra idea piuttosto interessante che non è buona come l’antimateria o la fusione, ma è davvero vicina. Questo è qualcosa chiamato impulso di fissione. Potresti aver sentito parlare del Progetto Orion. È stato un progetto davvero interessante sviluppato durante la Guerra Fredda, tra la fine degli anni ’50 e l’inizio degli anni ’60, quando alcuni scienziati, tra cui il defunto Freeman Dyson, hanno detto: “Invece di usare un razzo per far viaggiare un veicolo spaziale nello spazio, cosa accadrebbe se usassimo una serie di esplosioni controllate sotto una grande lastra d’acciaio?

È come mettere un sasso sopra un petardo, quando il petardo esplode il sasso viene lanciato. Immagina una serie di esplosioni sotto una lastra d’acciaio. Inizierà a decollare da terra – “Boom, boom, boom!” – a velocità sempre più elevate mentre continui a far esplodere queste esplosioni. Potresti potenzialmente far muovere questa piastra o qualsiasi altra cosa su di essa – un’astronave – a velocità davvero elevate. Questi scienziati hanno scoperto che se hai un’astronave delle dimensioni di una portaerei e ci metti sotto piastre estremamente grandi, abbastanza grandi da proteggerla dalle radiazioni della bomba che esplode, e inizi a far esplodere bombe atomiche ogni tre secondi sotto di essa, potresti ottenere velocità enormi e potresti usarle per inviare un veicolo spaziale, con un tempo di viaggio di alcune centinaia di anni, verso la stella più vicina. Ovviamente distruggi l’ecosistema mentre lanci l’astronave ma, in teoria, funzionerebbe.

In definitiva, se stiamo parlando di costruire qualcosa per inviare un veicolo spaziale di dimensioni ragionevoli alla stella più vicina, sarà, con le capacità odierne, un’impresa davvero costosa. Ma nel tempo, la capacità tecnologica si evolve.

Per viaggi interstellari molto lunghi, cose che sono più lontane della stella più vicina, la fusione continua, l’antimateria e le vele sono le uniche cose che ci permetteranno di arrivarci. Ma migliori sono le prestazioni di spinta, peggiore è l’efficienza che ha, con ogni sistema che abbiamo esaminato.

In ogni caso, alla luce delle conoscenze attuali, un viaggio interstellare sarebbe un viaggio di centinaia di anni, su una nave dove ci sarebbero generazioni che nasceranno e moriranno, prima che raggiunga la stella più vicina

Ora, se faremo scoperte nella ricerca medica che ci consentiranno di progettare noi stessi per adattarci al volo spaziale, forse progettarci per essere come gli orsi, dove potremmo andare in letargo, e si combinassero con la scienza missilistica e la scienza della propulsione, sarebbe sempre un viaggio di centinaia di anni ma non occorrerebbero necessariamente generazioni. Potrebbe aprire la possibilità che le persone che salgono sulla nave siano quelle che ne scenderanno. Ma si tratta di combinare due livelli di scoperte rivoluzionarie.

Intanto, prima dei viaggi interstellari, potremo dedicarci all’esplorazione ed alla colonizzazione del sistema solare.

Prima di inviare persone nello spazio, abbiamo inviato lo Sputnik e l’Explorer 1 e altri veicoli spaziali robotici. Prima di sbarcare sulla Luna, mandammo le missioni Surveyor e poi abbiamo inviato persone. Per decenni abbiamo inviato veicoli spaziali robotici su Marte. Penso che manderemo persone su Marte.

Quando guardo a quel dibattito, penso che sia una falsa dicotomia. E ho raccontato una storia nel libro: sono andato a un incontro, probabilmente otto o dieci anni fa, su nuove strategie per esplorare Marte. C’era un dibattito in corso, con i relatori sul palco, sull’opportunità di mandare persone su Marte. Ne vale davvero la pena? C’era questa sedia riservata nella prima fila che era vuota. E poi entra Buzz Aldrin.

Buzz, il secondo uomo a camminare sulla luna, fa il suo ingresso e si siede. Ed è lì per tipo cinque minuti. A un certo punto, si alza e alza la mano. Ci guardò tutti e disse: “OK, supponiamo di avere un modo per farlo domani. Quanti di voi si iscriverebbero per un viaggio di sola andata su Marte?” Sono rimasto sbalordito. Voglio andare come turista, ma voglio tornare a casa. Più della metà delle persone alzarono la mano, e molti erano quelli che avevano sostenuto che avremmo dovuto inviare solo robot. Ma non appena gli è stata prospettata l’ipotesi: “Oh, potremmo mandare delle persone, allora ovviamente ci andrei“. Quel momento si è cristallizzato nella mia testa che se la capacità esiste, faremo entrambe le cose. Saranno prima i robot, poi manderemo le persone.