Se stai cercando di costruire una potente nave spaziale, niente è meglio dell'antimateria. L'Istituto per i concetti avanzati della NASA sta finanziando un team di ricercatori per provare a progettare un veicolo spaziale alimentato dall'antimateria che potrebbe evitare alcuni di questi problemi.
La maggior parte delle astronavi che si rispettano nelle storie di fantascienza usano l'anti materia come combustibile per una buona ragione: è il combustibile più potente che si conosca. Mentre tonnellate di carburante chimico sono necessarie per lanciare una missione umana su Marte, lo faranno solo decine di milligrammi di antimateria (un milligrammo è circa un millesimo del peso di un pezzo della caramella originale M&M).
Tuttavia, in realtà questo potere ha un prezzo. Alcune reazioni di antimateria producono esplosioni di raggi gamma ad alta energia. I raggi gamma sono come i raggi X sugli steroidi. Penetrano nella materia e rompono le molecole nelle cellule, quindi non sono salutari. I raggi gamma ad alta energia possono anche rendere i motori radioattivi frammentando gli atomi del materiale del motore.
L'Institute for Advanced Concepts (NIAC) della NASA sta finanziando un team di ricercatori che sta lavorando a un nuovo design per un'astronave alimentata dall'antimateria che evita questo brutto effetto collaterale producendo raggi gamma con energia molto più bassa.
L'antimateria è talvolta chiamata immagine speculare della materia normale perché mentre assomiglia alla materia ordinaria, alcune proprietà sono invertite. Ad esempio, gli elettroni normali, le particelle familiari che trasportano corrente elettrica in qualsiasi cosa, dai telefoni cellulari ai televisori al plasma, hanno una carica elettrica negativa. Gli antielettroni hanno una carica positiva, quindi gli scienziati li hanno soprannominati "positroni".
Quando l'antimateria incontra la materia, entrambe si annichilano in un lampo di energia. Questa conversione completa in energia è ciò che rende l'antimateria così potente. Anche le reazioni nucleari che alimentano le bombe atomiche arrivano in un secondo distante, con solo circa il tre percento della loro massa convertita in energia.
I precedenti progetti di astronavi con antimateria impiegavano antiprotoni, che producono raggi gamma ad alta energia quando si annichilano. Il nuovo design utilizzerà i positroni, che producono raggi gamma con circa 400 volte meno energia.
La ricerca NIAC è uno studio preliminare per vedere se l'idea è fattibile. Se sembra promettente e sono disponibili fondi per sviluppare con successo la tecnologia, un'astronave alimentata da positroni avrebbe un paio di vantaggi rispetto ai piani esistenti per una missione umana su Marte, chiamata Mars Reference Mission.
"Il vantaggio più significativo è maggiore sicurezza", ha affermato il dott. Gerald Smith di Positronics Research, LLC, a Santa Fe, nel New Mexico. L'attuale missione di riferimento richiede un reattore nucleare per spingere l'astronave su Marte. Ciò è auspicabile perché la propulsione nucleare riduce il tempo di viaggio su Marte, aumentando la sicurezza per l'equipaggio riducendo la loro esposizione ai raggi cosmici. Inoltre, un veicolo spaziale alimentato chimicamente pesa molto di più e costa molto di più per il lancio. Il reattore fornisce inoltre ampia potenza per la missione triennale. Ma i reattori nucleari sono complessi, quindi più cose potrebbero potenzialmente andare male durante la missione. "Tuttavia, il reattore di positroni offre gli stessi vantaggi ma è relativamente semplice", ha affermato Smith, ricercatore capo dello studio NIAC.
Inoltre, i reattori nucleari sono radioattivi anche dopo che il loro combustibile è esaurito. Dopo l'arrivo della nave su Marte, i piani della missione di riferimento sono di dirigere il reattore in un'orbita che non incontrerà la Terra per almeno un milione di anni, quando le radiazioni residue saranno ridotte a livelli di sicurezza. Tuttavia, non c'è alcuna radiazione residua in un reattore al positrone dopo che il carburante è esaurito, quindi non vi è alcuna preoccupazione per la sicurezza se il reattore al positrone esaurito dovesse rientrare accidentalmente nell'atmosfera terrestre, secondo il team.
Sarà anche più sicuro lanciare. Se un razzo che trasporta un reattore nucleare esplode, potrebbe rilasciare particelle radioattive nell'atmosfera. “Il nostro veicolo spaziale positrone rilascerebbe un lampo di raggi gamma se esplodesse, ma i raggi gamma sparirebbero in un istante. Non ci sarebbero particelle radioattive alla deriva nel vento. Il flash verrebbe inoltre limitato ad un'area relativamente piccola. La zona pericolosa sarebbe di circa un chilometro (circa mezzo miglio) attorno al veicolo spaziale. Un normale grande razzo a propulsione chimica ha una zona di pericolo delle stesse dimensioni, a causa della grande palla di fuoco che deriverebbe dalla sua esplosione ", ha affermato Smith.
Un altro vantaggio significativo è la velocità. La navicella spaziale della missione di riferimento avrebbe portato gli astronauti su Marte in circa 180 giorni. "I nostri progetti avanzati, come il nucleo del gas e i concetti del motore ablativo, potrebbero portare gli astronauti su Marte in metà tempo e forse anche in soli 45 giorni", ha detto Kirby Meyer, un ingegnere della Positronics Research sullo studio.
I motori avanzati lo fanno a caldo, il che aumenta la loro efficienza o "impulso specifico" (Isp). Isp è il "miglia per gallone" di rocketry: maggiore è l'Isp, più veloce puoi andare prima di consumare il rifornimento di carburante. I migliori razzi chimici, come il motore principale dello Space Shuttle della NASA, raggiungono il massimo a circa 450 secondi, il che significa che una libbra di carburante produrrà una libbra di spinta per 450 secondi. Un reattore nucleare o positrone può durare oltre 900 secondi. Il motore ablativo, che lentamente si vaporizza per produrre una spinta, potrebbe arrivare fino a 5.000 secondi.
Una sfida tecnica per trasformare in realtà un veicolo spaziale positrone è il costo di produzione dei positroni. A causa del suo effetto spettacolare sulla materia normale, non c'è molta antimateria in giro. Nello spazio, viene creato in collisioni di particelle ad alta velocità chiamate raggi cosmici. Sulla Terra, deve essere creato in acceleratori di particelle, immense macchine che distruggono gli atomi. Le macchine vengono normalmente utilizzate per scoprire come funziona l'universo a un livello profondo e fondamentale, ma possono essere sfruttate come fabbriche di antimateria.
"Una stima approssimativa per produrre i 10 milligrammi di positroni necessari per una missione umana su Marte è di circa 250 milioni di dollari utilizzando la tecnologia attualmente in fase di sviluppo", ha affermato Smith. Questo costo potrebbe sembrare elevato, ma deve essere considerato rispetto al costo aggiuntivo per lanciare un razzo chimico più pesante (gli attuali costi di lancio sono circa $ 10.000 per libbra) o il costo per alimentare e rendere sicuro un reattore nucleare. "Sulla base dell'esperienza con la tecnologia nucleare, sembra ragionevole aspettarsi che i costi di produzione del positrone diminuiranno con ulteriori ricerche", ha aggiunto Smith.
Un'altra sfida è conservare abbastanza positroni in un piccolo spazio. Poiché annichiliscono la materia normale, non puoi semplicemente metterli in una bottiglia. Invece, devono essere contenuti con campi elettrici e magnetici. "Siamo fiduciosi che con un programma di ricerca e sviluppo dedicato, queste sfide possano essere superate", ha affermato Smith.
Se è così, forse i primi umani a raggiungere Marte arriveranno su astronavi alimentate dalla stessa fonte che ha sparato astronavi attraverso gli universi dei nostri sogni di fantascienza.
Fonte originale: Comunicato stampa NASA
