Nell'ultimo decennio, oltre il nostro Sistema solare sono stati scoperti migliaia di pianeti. Ciò ha avuto l'effetto di rinnovare l'interesse per l'esplorazione dello spazio, che include la possibilità di inviare veicoli spaziali per esplorare pianeti extrasolari. Date le sfide in gioco, un certo numero di concetti avanzati sono attualmente all'esplorazione, come il concetto di vela leggera (come esemplificato da Innovativa Starshot e proposte simili).
Tuttavia, negli anni più recenti, gli scienziati hanno proposto un concetto potenzialmente più efficace noto come vela elettrica, in cui una vela composta da una rete metallica genera cariche elettriche per deviare le particelle del vento solare, generando così un momento. In uno studio recente, due scienziati di Harvard hanno confrontato e contrastato questi metodi per determinare quali sarebbero più vantaggiosi per diversi tipi di missioni.
Lo studio, che è apparso di recente online ed è in fase di revisione per la pubblicazione da parte di Acta Astronautica, è stato condotto da Manasavi Lingam e Abraham Loeb - un assistente professore presso il Florida Institute of Technology (FIT) e Frank B. Baird Jr. Professore di Scienze presso l'Università di Harvard e il Direttore dell'Institute for Theory and Computation (ITC), rispettivamente.
Il concetto di una vela leggera è una tradizione antica, in cui un'astronave dotata di un grande foglio di materiale riflettente utilizza la pressione di radiazione di una stella (alias vento solare) per accelerare nel tempo. Un grande vantaggio di questa tecnologia è che non richiede un veicolo spaziale per trasportare la propria fornitura di carburante, che in genere rappresenta la maggior parte della massa di un veicolo spaziale.
Ciò è particolarmente importante quando si tratta di viaggiare interstellare poiché la quantità di massa di reazione necessaria per raggiungere anche una frazione della velocità della luce (c) sarebbe eccezionale. E a differenza di concetti come la propulsione antimateria o concetti che si basano su una fisica ancora non testata (o addirittura ipotetica), le vele solari / luminose utilizzano tecnologia e fisica che sono completamente provate a questo punto.
Un altro vantaggio è il fatto che una vela leggera può essere accelerata utilizzando mezzi diversi dalla radiazione solare. Come Lingam ha spiegato a Space Magazine via e-mail:
"Le vele luminose possono essere" spinte "da matrici laser o radiazioni solari / stellari. In entrambi i casi, il vantaggio principale delle vele leggere è che non è necessario trasportare il carburante a bordo a differenza dei razzi chimici. Ciò riduce notevolmente la massa del veicolo spaziale poiché la maggior parte della massa nei razzi chimici è dovuta al carburante. Lo stesso vantaggio si applica anche alle vele elettriche. "
Tuttavia, negli ultimi anni, sono state sviluppate variazioni su questo concetto, come la vela magnetica (alias "magsails") proposta da Robert Zubrin e Dana Andrews nel 1988, e la vela elettrica proposta da Pekka Janhunen nel 2006. Nel caso di il primo, un circuito superconduttore genererebbe un campo elettrico mentre il secondo enererebbe un campo magnetico attraverso una vela di piccoli fili - entrambi respingono il vento solare.
Questi concetti presentano alcune notevoli differenze rispetto alle tradizionali vele solari o luminose. Come ha spiegato Lingam:
“Le vele elettriche si basano sul trasferimento di quantità di moto dalle particelle di vento solare / stellare cariche (protoni nel nostro esempio) deviandole attraverso campi elettrici, mentre le vele luminose si basano sul trasferimento di quantità di moto dai fotoni emessi dalla stella. Pertanto, il vento della stella spinge le vele elettriche, mentre la radiazione elettromagnetica emessa dalla stella spinge le vele luminose. "
È interessante notare che alcune vele magnetiche sono state considerate da alcuni ricercatori come un possibile mezzo per rallentare una vela leggera mentre si avvicina alla sua destinazione. Uno di questi è il Prof. Claudius Gros dell'Institute for Theoretical Physics Goethe University di Francoforte, e Andreas Hein e Kelvin F. Long - i principali investigatori del Progetto Dragonfly (un concetto simile a Innovativa Starshot).
Tutti e tre i concetti sono in grado di convertire la radiazione emessa dalle stelle in quantità di moto, ma hanno anche la loro parte di svantaggi. Per cominciare, le vele elettriche dipendono molto dalle proprietà delle loro stelle ospiti. Le vele leggere, d'altra parte, sono rese in gran parte inefficaci quando si tratta di stelle di tipo M (nano rosso) perché la pressione della radiazione non è abbastanza alta da generare abbastanza velocità per sfuggire a un sistema stellare.
Questo è un problema piuttosto limitante visto che i nani di tipo M ultracool a bassa massa rappresentano la stragrande maggioranza delle stelle nell'Universo, rappresentando il 75% delle stelle nella Via Lattea. Anche le nane rosse sono incredibilmente longevi rispetto ad altre classi di stelle e possono rimanere nella loro sequenza principale per un massimo di 10 trilioni di anni. Pertanto, un sistema di propulsione in grado di utilizzare sistemi nani rossi sarebbe preferibile su scale temporali più lunghe.
A causa di queste considerazioni, Lingam e Loeb hanno cercato di determinare quale metodo di viaggio interstellare sarebbe preferibile (vele leggere o elettroniche) in relazione alle diverse classi di stelle: tipo F (bianco), tipo G (giallo), K- tipo (arancione) e stelle di tipo M. Dopo aver tenuto conto delle proprietà delle radiazioni di ogni classe, hanno preso in considerazione la probabile massa del veicolo spaziale, in base ai parametri stabiliti da Innovativa Starshot.
Ciò che hanno scoperto è che un veicolo spaziale accoppiato con una vela elettrica rappresenta un mezzo migliore di propulsione in prossimità della maggior parte dei tipi di stelle, e non solo per veicoli spaziali su scala di grammo come (che è ciò che viene richiesto con Starshot). Tuttavia, i calcoli di Lingam e Loeb hanno anche scoperto che ci vorrebbe molto più tempo per un veicolo spaziale a vela elettrico per raggiungere i tipi di velocità che renderebbero pratico il viaggio interstellare.
“Invece, se si considerano le vele luminose alimentate da array laser (come Breakthrough Starshot), è quindi possibile raggiungere direttamente le velocità relativistiche (ad esempio, il 10% della velocità della luce) tramite le vele luminose; al contrario, le vele elettriche alimentate da venti stellari raggiungono una velocità di appena lo 0,1% della velocità della luce ", ha affermato Lingam.
Mentre una vela elettrica potrebbe raggiungere 0,1 c alla fine, raggiungendo ripetutamente la stretta vicinanza con le stelle, hanno stimato che questo avrebbe richiesto 10.000 incontri nel corso di un milione di anni. Come diceva Lingam:
“[E] le vele elettriche rappresentano un mezzo valido per intraprendere viaggi interstellari. Tuttavia, qualsiasi specie tecnologica che desideri utilizzare questo metodo dovrebbe essere longeva poiché l'intero processo di raggiungimento delle velocità relativistiche richiederebbe circa 1 milione di anni. Se esistono specie così longevi, le vele elettriche rappresentano un mezzo abbastanza conveniente ed efficiente dal punto di vista energetico per esplorare la Via Lattea per lunghi periodi (milioni di anni).
Mentre 1 milione di anni è poco più di un battito di ciglia in termini cosmici, è incredibilmente lungo in termini di durata della vita delle civiltà - almeno da nostro standard. Come specie, l'umanità esiste da circa 200.000 anni e ha registrato la sua storia solo per circa 6000. Più precisamente, siamo stati solo una civiltà spaziale negli ultimi 60 anni.
Ergo, una vela che può essere accelerata dai laser rimane il mezzo più pratico per esplorare gli esopianeti nella nostra vita. Un'altra implicazione per questo studio è come potrebbe informare la ricerca di intelligenza extra-terrestre (SETI). Durante la ricerca nell'universo di segni di attività tecnologica (alias. Tecnosignature), gli scienziati sono costretti a cercare segni che riconosceranno.
Dati i vantaggi di una vela elettrica, è possibile che una civiltà extraterrestre possa favorire questa tecnologia rispetto a quelle simili. Come ha spiegato il prof. Loeb alla rivista Space via e-mail:
“I nostri calcoli implicano che le civiltà avanzate probabilmente favoriranno l'uso di vele elettriche su vele leggere per la propulsione che si basa sulla produzione naturale di stelle sotto forma di vento o radiazione. Tuttavia, se una civiltà tecnologica desidera raggiungere velocità o lanciare grandi carichi per i quali non può essere spinta dal potere prodotto dalla stella ospite, è probabile che favorisca le vele leggere che sono spinte dal loro raggio di luce prodotto artificialmente, come un potente laser. La situazione è simile alla differenza tra le barche a vela che usano il vento fornito gratuitamente da madre natura, rispetto alle barche più grandi o più veloci che sono spinte da mezzi artificiali come un motore. "
Sfortunatamente, come ha aggiunto Loeb, le vele elettriche non sono facilmente rilevabili a grandi distanze perché sono costituite da reti metalliche elettrificate e non emettono alcuna evidente tecno-firma. "Pertanto", conclude, "SETI dovrebbe concentrarsi principalmente sulla ricerca di vele luminose, che sono visibili a causa della fuoriuscita dei loro raggi di luce oltre i confini della vela vicino ai loro siti di lancio o perché riflettono la luce solare quando passano vicino al Sole, proprio come gli asteroidi o le comete di dimensioni simili. "
Tuttavia, Lingam e Loeb sottolineano anche che le vele elettriche potrebbero essere un'opzione interessante per una civiltà extraterrestre proprio per lo stesso motivo. Oltre ad essere efficienti dal punto di vista energetico, le vele elettriche non sono soggette a ricadute e possono quindi viaggiare da un sistema a stella all'altro senza essere notate. Una possibile risoluzione al paradosso di Fermi? Forse!
In ogni caso, questo studio indica che i nostri attuali piani per esplorare i sistemi stellari vicini dovrebbero concentrarsi su concetti che enfatizzano la velocità rispetto alla longevità. Ciò significa che dispiegare vele elettriche o magnetiche (che potrebbero continuare a esplorare l'Universo per eoni) è una cattiva idea, ma una missione che può arrivare in un altro sistema stellare nella nostra vita sembra l'opzione preferibile per ora.
