VIAGGIARE ALLA VELOCITA' DELLA LUCE

Potremo mai viaggiare alla velocità della luce?

Avremo mai la tecnologia dei viaggi a curvatura per sfidare le distanze enormi degli anni luce oppure il viaggio interstellare è destinato a rimanere solo un'ipotesi della fantascienza? Attenendosi solo alla propulsione spaziale del prossimo futuro, quanto possiamo avvicinarci alla velocità della luce ed esplorare così nuovi e ignoti mondi spaziali?

Scopriamolo insieme in questo video.

Dove nessun uomo  è mai giunto prima

Saremo davvero mai in grado di effettuare viaggi intestellari come abbiamo visto nelle saghe fantascientifiche di Star Trek e Star Wars? Avremo mai la velocità di curvatura ovvero oltre la luce o almeno riusciremo a raggiungere la velocità della luce per i nostri viaggi spazial intergalattici? Tecnicamente no! La luce è priva di massa e percorre poco più di un miliardo di km orari.

Poichè i veicoli spaziali non sono privi di massa è necessaria energia per accelerare e man mano che acquistano velocità avranno bisogno di quantità sempre maggiori di carburante. Alla fine anche piccoli guadagni di accelerazione richiedono enormi quantità di energia. Ne consegue che raggiungere al 100% la velocità della luce richiederebbe una quantità infinita di energia; per questo rimane un obiettivo impossibile. Prima di vedere quanto possiamo avvicinarci alla velocità della luce consideriamo ciò che abbiamo realizzato finora.

Quando si tratta di viaggi nello spazio tutto comincia con un razzo che è ancora il modo migliore per vincere la gravità terrestre e lanciarci nello spazio. I razzi danno quell'enorme spinta iniziale per sfuggire alla gravità  che è stato il primo importante passo per portare l'uomo sulla Luna, l'invio di sonde ai pianeti, sul sole e persino i confini del sistema solare.

I record di velocità dell'uomo nella sua conquista allo spazio 

L'Apollo 10 è stata la missione di prova generale per l'apollo 11 che non ha portato uomini sulla Luna ma al suo rientro ha ottenuto il record mondiale per il veicolo spaziale con equipaggio più veloce a poco meno di 40.000km orari. Per arrivare sino alla Luna ha avuto bisogno del razzo Saturn V che è stato il razzo più potente mai lanciato. 

La sonda New Horizons è stata lanciata invece da Atlante V e detiene il record per il viaggio più veloce a oltre 58.536 km orari e fu anche il primo veicolo spaziale a raggiungere Plutone nel 2015 rispedendo le prime immagini dettagliate mai prese di Plutone. Lanciata nel 1977 la sonda spaziale Voyager 1 esplorò Giove e Saturno e una volta completata la sua missione lasciò il sistema solare. Non avrebbe potuto farlo utilizzando la sola propulsione di cui era dotata così ha utilizzato il cosiddetto" effetto fionda" di Giove e aturno. L'"effetto fionda"  è una tecnica di volo spaziale che utilizza la gravità di un pianeta per alterare il percorso e la velocità di un veicolo spaziale. Voyager dovette farlo per andare ad esplorare anche Saturno. E ha successivamente utilizzato la fionda gravitazionale di Saturno per proiettarsi ai limiti del sistema solare. Il Voyager 1 ha raggiunto la velocità massima di oltre 61.000 km orari. Ma anche in questo modo ci sono voluti più di 30 anni per raggiungere lo spazio interstellare nel 2012. 

Nel 1976 la sonda Helios-2 partì per studiare il sole e iprocessi solari orbitando attorno al Sole in un'orbita ellittica il cui afelio era quasi un'Unità astronomica (UA) e il perielio circa 0,3 UA. Ogni volta che Helios II si avvicinava al sole la grande forza di gravità della stella la accelerava fino a farla arrivare a 43,432 milioni di chilometri. Stabilì così il record di avvicinamento al Sole e il record di velocità per un oggetto costruito dall'uomo: 252.792 km/h la velocità più alta mai raggiunta da un veicolo spaziale.

Le nuove velocità a propulsione ionica 

Il testimone è stato passato alla Parker Solar Probe della NASA che sta studiando la corona e l'atmosfera esterna del sole dal suo lancio avvenuto il 12 Agosto 2018. Entro i prossimi anni verranno utilizzati assist di gravità multipla del pianeta Venere per portarlo in orbita a circa 7 volte più vicino di quanto fece Helios II. In questo modo potrà superare tutti i record di Helios II ottenendo molta più velocità di quanta ne possano generare i suoi motori quantificabile in circa 725.000 km orari.  Questo enorme risultato è tuttavia solo uno scarso 0,07 % della velocità della luce. un veicolo spaziale lanciato a questa velocità di crociera impiegherebbe oltre 6.000 anni per arrivare a Proxima centauri la stella più vicina alla nostro sistema solare. 

Nel 2016 è stato scoperto attorno alla stella un pineta denominato Proxima b,  probabilmente roccioso come la Terra e nell'orbita giusta per avere acqua allo stato liquido in superficie. Questo lo renderebbe un obiettivo importante e quanto mai a portata di mano per l'invio del primo veicolo spaziale intertellare.

Riusciranno le nuove tecnologie a suprare le barriere della velocità della luce?  

Rimanendo nella tecnologia attuale o quella prossima futura, quanto possiamo migliorare di quella velocità?  In alcuni satelliti è attualmente impiegata la propulsione ionica  in particolare nella missione della navicella spaziale Dawn che ha studiato l'asteroide Vesta e il pianeta nano Cerere. In questo tipo di motore  viene utilizzato un campo elettrico prodotto da pannelli solari per ionizzare (ossia togliere un elettrone da un atomo) e accelerare il propellente (che nella maggior parte dei casi è un gas nobile, come lo xeno) per produrre la spinta. in pratica gli elettroni bombardano atomi carichi neutralmente aiutandoli a perdere elettroni e diventare così ioni carichi positivamente. La spinta risultante è minuscola ma questo fa si che il carburante utilizzato duri molto di più e possono spingere nello spazio carichi simili a quelli lanciati con motori convenzionali utilizzando solo una frazione del propellente. Inoltre la spinta continua ad aggravarsi su se stessa e con il tempo può potenzialmente raggiungere velocità fino a 324.000 km orari. Pur non essendo il più veloce è sicuramente un metodo pratico per esplorare più corpi celesti in una missione e un'ottima opportunità per conoscere meglio il nostro sistema solare. Negli anni 70 la British Interplanetary Society condusse uno studio chiamato " progetto Dedalo" per un veicolo spaziale a propulsione per  fusione senza pilota e con l'aiuto della fondazione Tau Zero, nel 2009 ha avviato il progetto " Icarus" per aggiornare il progetto. La gara è stata vinta dal team Ghost con la progettazione di una propulsione cosiddetta "fusione a confinamento inerziale" (inertial confinement fusion) che è un processo in cui l'innesco delle reazioni di fusione nucleare avviene per riscaldamento e compressione di un combustibile, costituito spesso da una mistura di deuterio e trizio, tipicamente nella forma di micro-sferula solida. Ma come funziona esattamente?

La propulsione a fusione 

Ebbene piccoli granuli di carburante vengono sparati in una camera di fusione, i laser bombardano ogni granulo da tutti i lati comprimendolo quindi un impulso finale spara nel nucleo innescando il processo di fusione. Il plasma risultante viene espulso dalla nave producendo spinta. Il vecchio design di Dedalus avrebbe raggiunto in questo modo circa il 12% della velocità della luce pari a 120 milioni di km orari. Ghost può raggiungere solo il 2,33 % della velocità della luce ovver 23,3 milioni di km orari raggiungendo così proxima centauri in soli 186 anni. Sebbene molto lento Ghost consente la decelerazione della stella per lo studio scientifico usando il proprio motore e una vela magnetica di 400 km di diametro. Ghost  usa anche un carburante che deriva dal Deuterio e Trizio due isotopi dell'idrogeno mentre Dedalus usava una combinazione per il carburante di Deuterio e Elio 3. Sfortunatamente l'Elio 3 è troppo raro e praticamente inaccessibile sulla Terra. Dovremmo estrarlo su un gigante gassoso come Giove oppure sulla Luna per ottenere sufficiente carburante anche se è il processo di fusione stesso che costituisce la sfida più grande. Dobbiamo ancora ottenere una reazione di fusione prolungata in laboratorio e fino a quando non la scopriremo queste navi non lasceranno il suolo.

Con un peso di 1,4 milioni di tonnellate e oltre 1 km di lunghezza, Ghost non poteva essere lanciato dalla Terra e avrebbe dovuto essere assemblato in parti e questo non è certo un compito facile. L'unico esempio che abbiamo finora di assemblamento nello spazio è la ISS la stazione spaziale internazionale la più grande finora mai costruita con i suoi 450 tonnellate di peso e 109 metri di lunghezza è quasi dieci volte più piccola di Ghost. 

Le propulsioni alternative: la vela solare  

Poichè quasi tutta la massa di un veicolo spaziale a fusione è il suo carburante immagina cosa significherebbe non doverlo portare utilizzando una grande vela solare.

Icarus è il progetto di veicolo spaziale a Vela solare costruito dal programma spaziale giapponese JAXA. Lanciata nel 2010 è stata la prima dimostrazione funzionante di propulsione con motore a Vela solare. Questo tipo di propulsione è simile alla propulsione ionica in quanto la luce del sole provoca solo una piccola quantità di spinta che però continua ad aumentare in maniera composta su se stessa e si ferma solo quando l'astronave è troppo lontana dal sole. La spinta totale ottenibile viene determinata dalla superficie della Vela e dalla massa del veicolo spaziale. Con una vela più grande è possibile catturare più luce e con meno massa la luce può spingere più velocemente. L'energia solare impartita al veicolo spaziale aumenta mano mano che questo si avvicina al sole fino a bruciare. Ovviamente questo tipo di propulsione potrebbe non risultare valido per raggiungere un'altra stella poichè ci vorrebbe un veicolo spaziale del perso di 1 kg e con una vela larga 1km per 1km. Viaggiando molto vicino al sole impiegherebbe circa 100 anni per raggiungere Proxima centauri. Ma potremmo essere in grado di migliorarla con i tempo.

Esiste un progetto denominato " Breakthrough Starshot" per sviluppare una flotta di veicoli spaziali a vela leggera di prova chiamata StarChip, in grado di compiere il viaggio verso il sistema stellare Alpha Centauri a 4,37 anni luce di distanza. Il progetto prevede la costruzione di veicoli spaziali privi di equipaggio.

Migliaia di micronavi alla conquista dello spazio   

Una nave madre contenente migliaia di piccole navette "nane" verrà lanciata in orbita; questo consente una varietà di alternative in caso di guasto e una varietà di opzioni di carico. Queste minuscole navicelle dal peso di pochi grammi posseggono una vela di soli 4 metri di lato e solo poche centinaia di atomi di spessore. Light Beamer è una batteria di laser a terra che si combinano insieme in un'unico raggio per spingere ogni navicella nana al 20% della velocità della luce in pochi minuti. A questa velocità potrebbero raggiungere proxima centauri in soli 20 anni. E con una sola missione di avvicinamento potrebbero raggiungere Proxima b per scattare fotografie con sufficienti dettagli. Potremmo così vedere se ha oceani e continenti. Mentre il team non vede alcun ostacolo che potrebbe fermare il progetto questo non significa che non ci saranno sfide da affrontare soprattutto nella costruzione del fascio di luce della batteria laser. A cento gigawatt la batteria sarebbe cento volte più potente di una centrale nucleare ma dovrà anche fare i conti con gli effetti di dispersione nell'atmosfera ed è necessario costruirla a terra poichè un laser orbitale di questa portata è troppo costoso. Già il progetto della batteria di laser di terra ha un costo stimato di circa 10 miliardi di dollari ovvero circa la metà del budget della NASA del 2016. si tratta comunque di un vero affare se pensiamo che la ISS è costata 100 miliardi di dollari. 

L'innovativa Starshot potrebbe rappresentare non solo la navicella spaziale interstellare più pratica ma viaggiando alla velocità del 20% di quella della luce sarebbe anche la più veloce.

Avremo mai un motore a curvatura?

Due fisici eorici di Applied Physics hanno proposto un nuovo tipo di propulsione a curvatura che non dovrebbe infrangere le leggi della fisica
Si tratta di un gruppo indipendente di scienziati, ingegneri e inventori che consigliano governi e aziende su scienza e tecnologia. Hanno teorizzato il primo modello fattibile di motore a curvatura per un veicolo spaziale che non dovrebbe infrangere nessuna delle leggi della fisica attualmente conosciute. Lo studio è stato descritto sulla rivista Classical and Quantum Gravity.
Questo tipo di propulsione che deforma lo spazio-tempo creando una distorsione che abbrevia la distanza da percorrere. è stata proposta per la prima volta agli inizi degli anni ’90 dal fisico teorico messicano Miguel Alcubierre. Il problema della propulsione di Alcubierre è che richiede una particolare forma di “energia negativa” che è impossibile da ottenere secondo le leggi della fisica oggi note.
Il nuovo modello teorizzato dai fisici di Applied Physics, Alexey Bobrick e Gianni Martire, propone una soluzione alternativa per superare il problema dell’energia negativa. Secondo i due scienziati, infatti, sarebbe possibile abbandonare l’impiego di energia negativa realizzando comunque un motore a curvatura, anche se più lento di quello immaginato. Servirebbe comunque un campo gravitazionale con una elevata potenza.
Il punto fondamentale del nuovo studio è che l’energia negativa non sarebbe necessaria per la propulsione a curvatura, ma lo sarebbe un campo gravitazionale In effetti, la gravità deformerebbe lo spazio-tempo in modo tale che il passare del tempo all’interno e all’esterno di una bolla di curvatura generata dal propulsore superluminale sarebbe significativamente diverso. Il problema però risulterebbe risolto solo in parte perché la quantità di massa necessaria per produrre un effetto gravitazionale consistente sullo spazio-tempo sarebbe almeno delle dimensioni di un pianeta.
La ricerca, inoltre, ha fatto una scoperta interessante per quanto riguarda la forma del motore a curvatura. Se questo infatti avesse la forma di un vaso con un’altezza e una larghezza maggiore avrebbe bisogno di meno energia rispetto ad un vaso lungo e sottile. Tuttavia, gli scienziati hanno ammesso che per il momento non si dispone ancora della tecnologia per realizzare un vero e proprio propulsore a curvatura, ma le conoscenze acquisite lasciano ben sperare sul fatto che un giorno tale concept possa effettivamente essere messo in pratica.

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