Il Tredicesimo Cavaliere

Scienze dello Spazio e altre storie

Alle frontiere della scienza della propulsione

Anticamente gli ominidi nostri progenitori popolarono l’intero pianeta alla velocità consentita dai loro piedi. Solo nel diciottesimo secolo, con la rivoluzione industriale e l’invenzione del motore a vapore, per la prima volta la capacità di movimento dell’Uomo fu svincolata dai suoi limiti fisici, o da quelli di animali opportunamente addestrati. Un secolo dopo, un motore a combustione interna a 4 cilindri rese possibile il primo volo atmosferico. Ma il progresso scientifico avanzava a ritmo serrato, e poco più di 60 anni dopo lo storico volo dei fratelli Wright, un motore a razzo mise in orbita Gagarin. Un altro mezzo secolo e siamo ai giorni nostri, e il problema della propulsione è sempre di importanza cruciale per tutti coloro che si occupano di Scienze dello Spazio.

Il motore a razzo a propellente chimico è tuttora indispensabile come lanciatore, e chissà per quanto tempo ancora manterrà tale primato. Ma non appena si esce dal sistema Terra-Luna, i grandi limiti di questo sistema di propulsione, cioè la necessità di portare con se il propellente e gli elevati consumi, appaiono in tutta la loro evidenza perché rendono difficilmente praticabile qualsiasi missione ad alto delta-V. A tutt’oggi sono disponibili altri due sistemi di propulsione spaziale: la vela solare e il motore elettrico a ioni. Il maggior limite della vela solare sta nel calo di potenza che si registra allontanandosi dal Sole: oltre l’orbita di Giove la capacità propulsiva della vela si riduce quasi a zero. Il motore elettrico a ioni (detto anche SEP, se alimentato a energia solare), presenta caratteristiche ibride: pur essendo esso stesso un motore a razzo, come la vela solare produce una spinta debole, ma erogabile per lunghi periodi di tempo grazie al bassissimo consumo di propellente. Ma proprio nel propellente sta il tallone d’Achille del motore a ioni: si tratta infatti del gas xeno estremamente raro sulla Terra e quindi assai costoso.

La scienza della propulsione

La terna razzo chimico-SEP-vela solare sembra in grado di garantire all’Uomo accesso completo al Sistema Solare, e di costituire così il balzo successivo nel percorso ideale che va dalla trazione animale, al vapore e poi al motore a combustione interna. Il prossimo balzo sarà evidentemente il volo interstellare. Tutto lascia prevedere che questa nuova conquista tecnologica sarà preceduta e supportata, come si era già parzialmente verificato in passato nella storia della propulsione, da una teoria scientifica radicalmente nuova, perchè in questa occasione è la Relatività Generale, uno dei caposaldi della Fisica moderna, a porre alle prestazioni di qualsiasi tecnologia un limite insuperabile: la velocità della luce.

Ed è dalla coscenza di questo claustrofobico tetto che Marc Millis ed Eric Davis hanno tratto ispirazione per realizzare Frontiers of Propulsion Science, un volume di oltre 700 pagine, edito nel 2009 da American Institute of Aeronautics and Astronautics. Si tratta di una sorta di compilation di circa 40 teorie scientifiche rivoluzionarie che potrebbero portare, se correttamente sviluppate, alla nascita delle tecnologie di propulsione particolarmente innovative di cui si sente bisogno in questo momento storico. A questo proposito Millis lamenta che i recenti progressi della Fisica nella comprensione di fenomeni come la materia e l’energia oscure rimangono spesso confinati nell’ambito delle curiosità scientifiche, perché gli scienziati stessi tendono a valutare i dati cosmologici solo in relazione alla nascita e al destino dell’Universo. Se invece gli stessi dati fossero esaminati in un contesto differente, come per esempio quello del volo spaziale, potrebbero portare a nuove idee che altrimenti andrebbero perdute. Nonostante alcune di queste teorie scientifiche sembrino appartenere al regno della fantasia piuttosto che a quello della scienza, Millis fornisce massime garanzie di serietà: tutti i lavori sono stati accuratamente verificati prima della pubblicazione da scienziati indipedenti e di provata affidabilità (il processo è chiamato peer reviewing); poi catalogati in base a quattro livelli di avanzamento, seguendo rigorosamente il metodo scientifico: (1) definizione del problema, (2) raccolta dati, (3) articolazione dell’ipotesi, (4) verifica dell’ipotesi; e infine raggruppati in tre categorie: propulsione senza propellente, conversione dell’energia, più veloce della luce.

Non è questa la sede adatta per un esame approfondito di nuove idee, ma voglio fare eccezione per due sistemi di propulsione famosi presso gli appassionati di fantascienza: il motore a curvatura (warp drive), studiato da Miguel Alcubierre della National Autonomous University of Mexico, e il cosidetto “traversable wormhole”, studiato da Matt Visser della Washington University di Saint Louis, che chiamerei piuttosto stargate, un termine molto più popolare che non necessita di traduzione. Basandosi sulla geometria di Riemann, usata da Einstein per la Relatività Generale, è stato dimostrato che il limite della velocità della luce può essere eluso manipolando lo spaziotempo stesso. In questa ipotesi, il motore a curvatura crea una bolla spaziotemporale attorno all’astronave, in modo che sia la bolla a muoversi, mentre la nave resta immobile al suo interno. Stabilire a quale velocità può muoversi una bolla spaziotemporale è di pertinenza della Teoria del Big Bang. Lo stargate invece stabilisce una specie di tunnel-scorciatoia con la località di arrivo. Sono materia di discussione le implicazioni dei paradossi temporali, la quantità di energia richiesta, il fatto che questa energia debba essere “negativa”, e il lasso di tempo in cui può essere usata. Sembra invece assodato il fatto che lo stargate sia di gran lunga più efficiente del warp drive nell’uso dell’energia. Infatti lo stargate produce un collegamento intrinsecamente più veloce della luce, mentre la misura dell’energia negativa impiegata determina la dimensione del tunnel. Al contrario, la velocità prodotta dal motore a curvatura dipende dalla quantità di energia erogata, solo che, con una spesa di 1046 joules di energia negativa, lo stargate apre un tunnel di 100 metri di diametro, mentre il motore a curvatura raggiunge solo l’uno percento della velocità della luce!

Lasciamo ai lettori il piacere di approfondire queste tematiche e andiamo oltre citando direttamente Millis: “Considerate le anomalie nelle traiettorie delle sonde che viaggiano nello spazio profondo, la scoperta della materia e dell’energia oscure, e altri problemi scientifici non ancora risolti, è chiaro che ci attendono nuove scoperte nel campo della Fisica. Non è chiaro invece se queste scoperte ci riveleranno anche nuovi metodi per percorrere distanze interstellari più efficenti dei razzi e delle vele solari. Il progresso non si ottiene arrendendosi al fallimento. Con una combinazione di lungimiranza, rigore imparziale e amore del rischio, vedremo accumularsi risultati utili e affidabili. Ad astra incrementis.”

Verso le stelle, a passi sempre più lunghi

E’ questo il motto della Tau Zero Foundation, associazione senza fini di lucro creata da Marc Millis anni or sono, insieme a un gruppo di professionisti e scienziati tra cui il fisico-matematico Claudio Maccone, ben noto ai nostri lettori come alfiere della missione FOCAL, e Paul Gilster, fondatore di Centauri Dreams, ora canale ufficiale di informazione della Fondazione, un blog che è spesso per noi fonte di ispirazione. Nel vasto panorama delle “ONG dello Spazio” statunitensi, in effetti mancava qualcuno che si assumesse l’onere e l’onore di porsi un obiettivo di incerta, forse lunghissima scadenza, ma anche di altissimo profilo, quale la nascita di una nuova Fisica che supporti le tecnologie rivoluzionarie indispensabili per realizzare, un giorno, il volo interstellare. A questo scopo, nessuno sembra più adatto di Marc Millis che, dal 1997 al 2002 diresse il programma “Breakthrough Propulsion Phisics” della NASA con tale successo da conquistare la copertina di Popular Science.

Erano altri tempi, in cui sembrava davvero che nelle grandi agenzie spaziali ci fosse un interesse genuino per il volo interstellare, tanto che l’allora amministratore della NASA Dan Goldin chiedeva a gran voce una sonda automatica capace di raggiungere un’altra stella. Ma era un fuoco di paglia e nel 2002 il programma di Millis fu cancellato e lui stesso lasciò l’Agenzia per creare Tau Zero Foundation, che non si rivolge più al settore pubblico, bensì a quello privato delle donazioni e degli istituti filantopici, offrendo loro di dare supporto a un programma scientifico estremamente lungimirante, ma serio, credibile e minuziosamente organizzato in una sequenza di obiettivi parziali a breve termine.

Dal punto di vista organizzativo la Fondazione sembra essere in mezzo al guado: è operativa già da un anno una importante joint-venture con la British Interplanetary Society chiamata Project Icarus; la sopravvivenza eeconomica è garantita da piccole donazioni e si sta pianificando una campagna di tesseramento; la rete dei professionisti e degli scienziati esiste in nuce, ed è già al lavoro; la presenza sul web è garantita da un bel sito in via di aggiornamento. La strada è lunga, ma Millis, Maccone, Gilster e soci non mancano certo di determinazione. E poi, di giorno in giorno crescono le possibilità che Alcubierre o Visser o qualcuno degli altri ci faccia una sorpresa, e….

Fonti:

“Progress in revolutionary propulsion Physics” di M.G.Millis in arXiv.org

“Tau Zero  takes aim at interstellar propulsion” di P. Gilster in Discovery News

Per le immagini si ringraziano: NASA, JAXA, Wikipedia, Tau Zero Foundation

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10 marzo 2011 - Posted by | Astrofisica, Astronautica, Scienze dello Spazio, Volo Interstellare | , , , , ,

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