Internet si espande nel Sistema Solare. E oltre?
Immaginate un Internet Siderale, i cui nodi siano costituiti da tutti i manufatti spaziali attualmente in funzione o comunque operativi, e da tutti quelli che verranno lanciati in futuro. Proprio tutti, purché abbiano a bordo un computer, un trasmettitore e un generatore funzionanti: i satelliti in orbita bassa, la ISS, i geostazionari dedicati alle telecomunicazioni e al telerilevamento, gli orbiter, i lander e i rover marziani, le sonde da esplorazione a lungo raggio e anche un buon numero delle infrastrutture, enti di ricerca, società, e università che fanno parte del sistema scientifico – industriale dedicato all’esplorazione dello Spazio. Ecco l’Internet Siderale, una colossale rete wireless e allo stesso tempo mobile, in costante espansione nel cosmo insieme all’Uomo e ai suoi robot. Questa lungimirante visione è frutto della mente di Vint Cerf (nell’immagine), Vicepresidente e Chief Internet Evangelist di Google, uno dei padri di Internet, che sta lavorando all’idea da una decina d’anni. Cerf si è reso conto che l’Internet Siderale non poteva ricorrere alla stessa architettura del primo Internet, ossia alla suite di protocolli nota come TCP/IP, ma aveva bisogno di un nuovo protocollo, basato sulla nozione di “rete a tolleranza di ritardo e di interruzione”, che è stato chiamato semplicemente Bundle Protocol.
Una nuova architettura di rete
Nella maggior parte del mondo, ormai, si può contare su infrastrutture elettriche e telefoniche abbastanza sofisticate e affidabili da consentire il libero accesso del pubblico non sempre alla navigazione in banda larga, ma almeno a servizi telematici di base come la posta elettronica e lo scambio di file tramite FTP. In questo ambiente relativamente protetto, che offre garanzie di connetività a buon livello, la suite di protocolli TCP/IP ha dato prova di funzionare in maniera soddisfacente. Ciò non avviene invece in ambienti estremi, come quello sottomarino, o in zone disastrate, contaminate, o teatro di operazioni belliche. E naturalmente nell’ambiente più estremo di tutti: lo Spazio.
Qualunque apparato o segnale si trovi ad attraversarlo, viene immediatamente esposto all’influenza di svariati elementi che possono pregiudicarne il funzionamento o, nel caso di una trasmissione dati, la qualità e la potenza. Mi riferisco agli effetti dell’attività solare, che sulla Terra vengono di norma filtrati dall’atmosfera o dalla magnetosfera, ossia radiazioni d’ogni lunghezza d’onda e fasci di particelle cariche emessi irregolarmente ad altissima velocità (il cosidetto “vento solare”). Fanno la loro parte anche il rumore della radiazione cosmica di fondo, cioè quanto rimane del calore originario presente alla nascita dell’universo 13,7 miliardi di anni fa, e l’esposizione a violente escursioni termiche, nonché il moto dei pianeti e degli stessi veicoli spaziali, che sono i nodi della nuova Rete. Ma l’elemento perturbante di maggior impatto è qualcosa di cui gli informatici raramente devono tener conto sulla Terra: il “ritardo – luce”, cioè il tempo necessario a un segnale per percorrere, alla velocità della luce, la distanza tra chi trasmette e chi riceve (Esempi: Terra – Luna = 1,28 secondi; Sole – Terra = 8,33 minuti; Sole – Saturno = 1 ora circa).
Ecco quindi prendere corpo l’idea di “rete a tolleranza di ritardo e di interruzione”, un Internet Siderale intermittente e discontinuo, capace di funzionare in qualsiasi ambiente. La parte terrestre della nuova rete è a buon punto e il Bundle Protocol gira già nei computer della ISS, e in quello della sonda EPOXI (ex Deep Impact) che ha appena effettuato un flyby della cometa Hartley 2, a 80 secondi – luce dalla Terra. Nell’anno in corso, Cerf e i suoi collaboratori contano di completare i test del Bundle Protocol per poi offrirlo a tutte le nazioni del mondo in modo che possano liberamente implementarlo nei loro veicoli spaziali, e l’Internet Siderale prenda vita.
Guardare oltre….
Alla nascita dell’Internet Siderale, l’attuale tecnologia sembra essere perfettamente in grado di dare supporto a un complesso sistema di telecomunicazioni esteso a tutto il Sistema Solare. Per guidare i rover della NASA su Marte oppure comunicare alla sonda Cassini di scattare fotografie di Saturno, gli scienziati si affidano oggi al Deep Space Network (DSN) dell’agenzia spaziale americana, la cui antenna è abbastanza potente da mantenere gli scienziati in contatto con Voyager 1 e 2, che si trovano a circa 17,5 miliardi di chilometri dalla Terra, ai confini del Sistema Solare. Ma è roba da poco se paragonata alla distanza di 4,37 anni-luce che ci separa dalle stelle più vicine, ossia il sistema triplo noto come Alpha Centauri. Comunicare a queste distanze con le nostre future sonde interstellari è un vero problema. Infatti le telecomunicazioni risultano indebolite e distorte dal rumore della radiazione cosmica di fondo, che può rendere incomprensibile fino alla metà delle informazioni scambiate tra la Terra e i nostri robot da esplorazione. Così anche se l’Umanità fosse capace di viaggiare tra le stelle, mantenere i contatti potrebbe essere impossibile.
Ma Claudio Maccone (nell’immagine), Direttore Tecnico del International Academy of Astronautics di Parigi e autore di un nuovo studio su questo tema, dice: “Se usiamo il Sole come una lente gravitazionale possiamo mantenere i contatti con le nostre sonde anche a distanze interstellari. Questa è la chiave per esplorare i dintorni del Sistema Solare nei secoli a venire. Anche civiltà aliene potrebbero avere scoperto questo metodo per comunicare a lunga distanza. Se cosi fosse, potremmo essere in grado di intercettare le loro comunicazioni”. Il nostro Sole potrebbe effettivamente rivelarsi il migliore dispositivo possibile per le telecomunicazioni, se la sua gravità potesse essere usata per creare un radiotelescopio gigante in grado di mandare e ricevere segnali enormemente amplificati che potrebbero permetterci perfino di comunicare con una civiltà aliena. (per maggiori informazioni si veda Missione Focal). Questa tecnologia potrebbe essere applicata a radiazioni di qualsiasi lunghezza d’onda, per esempio nello spettro visibile o in quello radio. Anzi, si potrebbe creare una rete ancora più potente posizionando delle sonde relais vicino ad altre stelle per formare ponti radio attraverso il grande vuoto interstellare.
Ponti radio “gravitazionali”
Per crearne uno si dovrebbe cominciare piazzando una sonda relais in corrispondenza del fuoco più vicino della lente gravitazionale del Sole, situato alla distanza di 550 Unità Astronomiche (UA) da esso. Quindi all’altro capo del ponte, continuando con l’esempio di Alpha Centauri, deve essere piazzata una seconda sonda relais per potenziare i segnali in entrata e uscita. Per la maggiore delle tre stelle di tale sistema, che ha massa di poco superiore a quella del Sole, il fuoco gravitazionale più vicino si trova a 749 UA da essa.
Con questi relais in posizione, la percentuale d’errore nelle trasmissioni tra i due capi del ponte crollerebbe da 1 su 2 , a 1 su 2 milioni, pari all’accuratezza raggiunta dal DSN nell’ambito del Sistema Solare. Sorprendentemente, la potenza di trasmissione richiesta è davvero minima, appena un decimo di milliwatt, come dire svariati ordini di grandezza in meno delle antenne del DSN. Maccone ha anche calcolato la posizione dei fuochi e la potenza di trasmissione per due altre stelle nelle vicinanze del Sole: la stella di Barnard, una piccola nana rossa, e Sirio, una gigante blu, che si trovano rispettivamente a una distanza di 5,6 e di 8,6 anni luce dalla Terra.
Tuttavia, la realizzazione di un sistema radio interstellare basato su lenti gravitazionali darebbe un gran da fare agli ingegneri. Tanto per cominciare, i ripetitori dovrebbero restare precisamente allineati uno rispetto all’altro e ai loro amplificatori stellari anche su distanze estreme, afferma Maccone. Ciò richiederebbe un sistema rivoluzionario di navigazione celeste e orientamento, una sorta di GPS galattico basato sulle pulsar. Ma anche se effettivamente questi ponti radio potrebbero aiutarci a tenere i contatti, il limite universale della velocità della luce (e quindi dell’informazione) scoperto da Einstein, implica che il dialogo avrebbe comunque tempi lunghissimi. Data la distanza, una conversazione con una colonia su un ipotetico mondo abitabile (tipo “Avatar”), nel sistema di Alpha Centauri, avrebbe un ciclo domanda – risposta di quasi nove anni. “Attualmente non c’è soluzione al problema del ritardo nelle telecomunicazioni” - dice Maccone – “Ma la buona notizia è che adesso abbiamo un modo affidabile per comunicare attraverso distanze interstellari.”
Fonti:
“Vint Cerf: Deep Space Internet” di Vittorio Solinas (Wired.it, 12 giugno 2009)
“Sun’s Gravity Could Be Tapped to Call E.T.” di Adam Hadhazy (Space.com, 21 dicembre 2010)
“An Internet designed for Space” di Paul Gilster (Centauri Dreams, 23 febbraio 2011)
Missione FOCAL: viaggio ai fuochi gravitazionali del Sole e dei Pianeti
La prima dimostrazione sperimentale della Teoria della Relatività Generale fu eseguita da Arthur Eddington nel 1919, quando riuscì a misurare gli effetti del campo, o meglio del pozzo gravitazionale del Sole sulla luce delle stelle ad esso vicine. La massa del Sole, infatti, genera una distorsione del tessuto dello spaziotempo in grado di deflettere le onde elettromagnetiche provenienti da una “sorgente”astronomica di qualsiasi tipo (esopianeti, stelle, galassie, o altro), e farle convergere in un punto detto “fuoco”, dove l’informazione da esse veicolata risulta intensificata, amplificata, ingrandita. Per le evidenti analogie con le lenti ottiche, questo fenomeno è stato chiamato “lente gravitazionale”.
Numeri, esempi e un po’ di storia
L’asse focale è la linea immaginaria che unisce la sorgente, il centro del Sole, e il fuoco, in modo che la sorgente rimanga perfettamente occultata dal disco solare rispetto al fuoco stesso. Il fuoco del “sole nudo”, così chiamato perché la sua posizione è stata calcolata senza tener conto di nessun effetto di distorsione o attenuazione del segnale sorgente, si trova alla bella distanza di 550 Unità Astronomiche (UA), ben oltre i confini del Sistema Solare. Dato che il potere della lente gravitazionale del Sole (GLS) si applica alle onde elettromagnetìche provenienti da tutte le infinite sorgenti dell’Universo, si può immaginare una sfera focale del sole nudo, di raggio pari a 550 UA, composta da un numero infinito di fuochi.
Niente di costruito dall’Uomo è mai arrivato così lontano, nemmeno l’intramontabile Voyager 1, che ha da poco raggiunto le 110 UA. Ma varrebbe davvero la pena di andarci, perchè le prestazioni promesse dalla GLS sono assolutamente terrificanti: si prevede di ottenere un’amplificazione del segnale sorgente dell’ordine di dieci all’ottava potenza, e oltre! La Natura ci offre, a poco più di tre giorni-luce dalla Terra (a tanto equivale, infatti, la distanza di 550 UA) uno strumento d’indagine di ineguagliabile potenza. Anche se con l’attuale tecnologia non siamo in grado di dare il via a una missione al fuoco gravitazionale, è opinione comune tra gli scienziati del settore che tra una ventina d’anni tale missione potrebbe essere effettivamente messa in calendario e portata a termine entro la fine del secolo.
A parte lo stesso Einstein, che nel 1936 pubblicò un lavoro specifico sulle lenti gravitazionali, da allora nella comunità scientifica nessuno si occupò più del problema fino al 1964, quando Sidney Liebes, della Stanford University, promulgò la teoria matematica della lente gravitazionale. Nel 1979 Von Eshleman, anch’egli della Stanford, per primo suggerì la possibilità di lanciare una missione diretta al fuoco della GLS. Nello stesso anno fu pubblicata dal CalTech-JPL la tesi di dottorato di David Sonnabend, intitolata “To the Solar Foci”, che però si occupava di argomenti relativi alle onde gravitazionali e ai neutrini, estranei agli obiettivi di questo articolo. Nel 1987, nel corso della Seconda Conferenza Internazionale di Bioastronomia, Frank Drake, uno dei pionieri del SETI, delineò il profilo della missione suggerita da Von Eshleman, che sarebbe stata più tardi denominata “missione FOCAL”. Tra i presenti c’era anche il fisico-matematico Claudio Maccone, all’epoca ricercatore presso l’Alenia Spazio e oggi Direttore Tecnico per l’Esplorazione Scientifica dello Spazio presso la IAA di Parigi. Nel 1992 Maccone organizzò, presso il Politecnico di Torino, la prima conferenza internazionale interamente dedicata a FOCAL, denominata “Space Missions and Astrodynamics I”. L’anno successivo, a nome di un vasto numero di colleghi europei e americani, propose ufficialmente la missione all’ESA, ricevendo il pubblico encomio del Direttore dei Programmi Scientifici dell’Agenzia, Roger Bonnet, ma nessun finanziamento. Da allora Maccone ha costantemente approfondito e allargato la ricerca sulla GLS, e arricchito il profilo della missione FOCAL. Il volume “Deep Space Flight and Communications: Exploiting the Sun as a Gravitational Lens” (Springer/Praxis, 2009), costituisce la sintesi del lavoro di questi ultimi vent’anni.
La missione FOCAL in tre tappe: 550 UA, 1000 UA, 17000 UA
Nella lente gravitazionale, la deflessione subita dalle onde elettromagnetiche non è uniforme, ma dipende dalla loro distanza dal Sole: quelle che passano radenti al disco solare vengono deflesse più intensamente di quelle che passano più lontano, ma andranno tutte a concentrarsi lungo l’asse, seppure a distanze diverse, creando infiniti nuovi fuochi, ognuno corrispondente a una frequenza d’onda via via più bassa. Alla sfera di fuochi del sole nudo, si aggiunge quindi un numero infinito di nuove sfere focali concentriche. In pratica, a partire da 550 UA in avanti, qualsiasi punto dello spazio è un fuoco gravitazionale e quindi la sonda FOCAL dovrà essere progettata ed equipaggiata considerando la sfera focale del sole nudo non come l’obiettivo, ma come la prima tappa di un viaggio di ricerca che potrebbe concludersi ben più lontano.
La missione FOCAL
Infatti, a complicare le cose ci si mette la Corona solare, la zona più calda e turbolenta dell’atmosfera del Sole, composta essenzialmente da plasma, le cui fluttuazioni creano sulla luce in arrivo dalla sorgente un effetto divergente che si oppone a quello convergente esercitato dalla GLS. Il risultato è che tutto il sistema delle sfere focali concentriche slitta allontanandosi dal Sole: così a 650 UA troviamo il fuoco per la frequenza di 500 GHz; a 763 UA il fuoco per i 160 GHz del CMB, la cosidetta “radiazione cosmica di fondo”; e infine a 1000 UA il fuoco per i 60 GHz. Va precisato, comunque, che non esiste ancora un modello matematico pienamente soddisfacente della Corona solare, quindi con l’aumentare delle conoscenze i dati potrebbero cambiare.
Nell’ultimo studio di Maccone, presentato a Praga pochi mesi orsono, nel corso dell’annuale Congresso Internazionale di Astronautica, si prospetta l’estensione della missione fino a 17000 UA. Questa dilatazione delle distanze è dovuta al fatto che Maccone, accogliendo un suggerimento proveniente dai lettori di Centauri Dreams (vedi blogroll), ha allargato l’analisi anche alle lenti gravitazionali dei pianeti del Sistema Solare. I suoi calcoli indicano che la sfera focale di Giove, situata a 6100 UA, sarà la prima ad essere raggiunta dalla nostra sonda nel prolungarsi del suo viaggio di allontanamento dal Sole. A 13525 UA incontriamo la sfera focale di Nettuno, prima di quella di Saturno (14425 UA), poi quella della Terra (15375 UA), prima di quella di Urano e Venere, fino a 17000 UA.
Le lenti planetarie sono ovviamente molto meno potenti della GLS, ma presentano alcune caratteristiche che le rendono degne di indagini più approfondite. Prima di tutto muoversi tra 1000 e 17000 UA significa operare ben addentro la cosidetta Nube di Oort, vastissima zona inesplorata, da dove si dice provengano le cosidette comete “esterne”, di lungo periodo. Una prima esplorazione della Nube, anche se parziale e sommaria, avrebbe un grande valore scientifico. Secondo, le lenti planetarie non risentono di effetti distorsivi simili a quelli della Corona solare. Infine, se il Sole può considerarsi immobile nel sistema delle sfere focali, i pianeti invece si muovono lungo le loro orbite. E con essi si muovono anche le lenti loro associate dando vita, agli occhi dell’osservatore, a un vero e proprio carosello di immagini fortemente ingrandite di oggetti astronomici d’ogni genere.
Ma lasciamo che sia lo stesso Maccone a concludere: ”ripensando al lavoro svolto finora sulle possibilità di un vero volo interstellare, semba lecito dire che gli studiosi delle missioni dirette ad Alpha Centauri, nello sforzo di coprire in un sol balzo quei 4,37 anni-luce, saltano a pie’ pari tutto quello che si trova a soli tre mesi-luce, come la sfera focale della Terra.”
Fonti: Centauri Dreams, “Deep Space Flight and Communications: Exploiting the Sun as a Gravitational Lens” (Springer/Praxis, 2009), Wikipedia
