Abbiamo tutti posto questa domanda ad un certo punto della nostra vita: quanto tempo ci vorrebbe per viaggiare verso le stelle? Potrebbe essere all'interno della vita di una persona e un giorno questo tipo di viaggio potrebbe diventare la norma? Ci sono molte possibili risposte a questa domanda - alcune molto semplici, altre nel regno della fantascienza. Ma trovare una risposta completa significa prendere in considerazione molte cose.
Sfortunatamente, qualsiasi valutazione realistica produrrà probabilmente risposte che scoraggerebbero totalmente i futuristi e gli appassionati di viaggi interstellari. Piaccia o no, lo spazio è molto ampio e la nostra tecnologia è ancora molto limitata. Ma se dovessimo mai pensare di "lasciare il nido", avremo una gamma di opzioni per raggiungere i sistemi solari più vicini nella nostra galassia.
La stella più vicina alla Terra è il nostro Sole, che è una stella abbastanza "media" nella "sequenza principale" di Hertzsprung - Russell Diagram. Ciò significa che è altamente stabile, fornendo alla Terra il giusto tipo di luce solare per far evolvere la vita sul nostro pianeta. Sappiamo che ci sono pianeti in orbita attorno ad altre stelle vicino al nostro Sistema Solare e molte di queste stelle sono simili alla nostra.
In futuro, se l'umanità desiderasse abbandonare il Sistema Solare, avremo una vasta scelta di stelle in cui potremmo viaggiare e molti potrebbero avere le condizioni giuste per far prosperare la vita. Ma dove andremmo e quanto tempo ci vorrebbe per arrivarci? Ricorda, questo è tutto speculativo e al momento non esiste un punto di riferimento per i viaggi interstellari. Detto questo, eccoci qui!
Stella più vicina:
Come già notato, la stella più vicina al nostro Sistema Solare è Proxima Centauri, motivo per cui ha più senso tracciare prima una missione interstellare su questo sistema. Come parte di un sistema a tre stelle chiamato Alpha Centauri, Proxima dista circa 4,24 anni luce (o 1,3 parsecs) dalla Terra. Alpha Centauri è in realtà la stella più luminosa dei tre nel sistema - parte di un binario strettamente orbitante a 4,37 anni luce dalla Terra - mentre Proxima Centauri (il più debole dei tre) è una nana rossa isolata a circa 0,13 anni luce dal binario .
E mentre il viaggio interstellare evoca tutti i tipi di visioni del viaggio Faster-Than-Light (FTL), che vanno dalla velocità di curvatura e dai wormhole ai jump drive, tali teorie sono o altamente speculative (come Alcubierre Drive) o interamente la provincia della scienza finzione. Con ogni probabilità, ogni missione nello spazio profondo richiederà probabilmente generazioni per arrivarci, piuttosto che qualche giorno o in un lampo istantaneo.
Quindi, a partire da una delle forme più lente di viaggio nello spazio, quanto tempo ci vorrà per arrivare a Proxima Centauri?
Metodi attuali:
La domanda su quanto tempo ci vorrebbe per arrivare da qualche parte nello spazio è un po 'più semplice quando si tratta della tecnologia e dei corpi esistenti all'interno del nostro Sistema Solare. Ad esempio, usando la tecnologia che alimentava la missione New Horizons - che consisteva in 16 propulsori alimentati con monopropellente di idrazina - per raggiungere la Luna ci sarebbero voluti solo 8 ore e 35 minuti.
D'altra parte, c'è la missione SMART-1 dell'Agenzia spaziale europea (ESA), che ha impiegato il suo tempo viaggiando sulla Luna usando il metodo della propulsione ionica. Con questa tecnologia rivoluzionaria, una delle quali da allora è stata utilizzata dal veicolo spaziale Dawn per raggiungere Vesta, la missione SMART-1 ha impiegato un anno, un mese e due settimane per raggiungere la Luna.
Quindi, dalla veloce navicella spaziale a propulsione a razzo all'azionamento di ioni economico, abbiamo alcune opzioni per aggirare lo spazio locale - inoltre potremmo usare Giove o Saturno per una pesante fionda gravitazionale. Tuttavia, se dovessimo contemplare le missioni in qualche luogo un po 'più fuori mano, dovremmo potenziare la nostra tecnologia e guardare a ciò che è veramente possibile.
Quando diciamo possibili metodi, stiamo parlando di quelli che coinvolgono la tecnologia esistente o di quelli che non esistono ancora ma sono tecnicamente fattibili. Alcuni, come vedrai, sono onorati e comprovati, mentre altri stanno emergendo o sono ancora alla lavagna. In quasi tutti i casi, presentano uno scenario possibile (ma estremamente dispendioso in termini di tempo o costoso) per raggiungere anche le stelle più vicine ...
Propulsione ionica:
Attualmente, la forma di propulsione più lenta e la più efficiente in termini di consumo di carburante è il motore a ioni. Qualche decennio fa, la propulsione ionica era considerata oggetto di fantascienza. Tuttavia, negli ultimi anni, la tecnologia a supporto dei motori a ioni è passata dalla teoria alla pratica in grande stile. La missione SMART-1 dell'ESA, ad esempio, ha completato con successo la sua missione sulla Luna dopo aver intrapreso un percorso a spirale di 13 mesi dalla Terra.
SMART-1 utilizzava propulsori ionici a energia solare, in cui l'energia elettrica veniva raccolta dai suoi pannelli solari e utilizzata per alimentare i propulsori ad effetto Hall. Sono stati usati solo 82 kg di propellente allo xeno per spingere SMART-1 sulla Luna. 1 kg di propellente allo xeno ha fornito un delta-v di 45 m / s. Questa è una forma di propulsione altamente efficiente, ma non è affatto veloce.
Una delle prime missioni a utilizzare la tecnologia ion drive era la Deep Space 1 missione nella cometa Borrelly avvenuta nel 1998. DS1 utilizzava anche una trasmissione ionica alimentata allo xeno, consumando 81,5 kg di propellente. Oltre 20 mesi di spinte, DS1 è stata in grado di raggiungere una velocità di 56.000 km / ora (35.000 miglia / ora) durante il suo sorvolo della cometa.
I propulsori ionici sono quindi più economici della tecnologia a razzo, poiché la spinta per unità di massa del propellente (impulso specifico ak.a.) è molto più elevata. Ma ci vuole molto tempo perché i propulsori ionici accelerino i veicoli spaziali a qualsiasi grande velocità, e la velocità massima che può raggiungere dipende dalla fornitura di carburante e dalla quantità di energia elettrica che può generare.
Quindi, se la propulsione ionica dovesse essere utilizzata per una missione su Proxima Centauri, i propulsori avrebbero bisogno di un'enorme fonte di produzione di energia (cioè energia nucleare) e di una grande quantità di propellente (sebbene ancora inferiore ai razzi convenzionali). Ma basandosi sul presupposto che una fornitura di 81,5 kg di propellente allo xeno si traduce in una velocità massima di 56.000 km / h (e che non ci sono altre forme di propulsione disponibili, come una fionda gravitazionale per accelerarla ulteriormente), alcuni calcoli possono essere fatto.
In breve, ad una velocità massima di 56.000 km / h, Deep Space 1 prenderebbe il controllo 81.000 anni attraversare i 4,24 anni luce tra la Terra e Proxima Centauri. Per mettere in prospettiva quella scala temporale, sarebbero oltre 2.700 generazioni umane. Quindi è sicuro dire che una missione interplanetaria con motore ionico sarebbe troppo lenta per essere considerata per una missione interstellare con equipaggio.
Ma, se i propulsori ionici dovessero essere resi più grandi e più potenti (cioè la velocità di scarico degli ioni dovrebbe essere significativamente più alta), e si potrebbe trainare abbastanza propellente per mantenere il veicolo spaziale in funzione per l'intero viaggio di 4,243 anni luce, quel tempo di viaggio potrebbe essere notevolmente ridotto. Tuttavia, non è ancora abbastanza per accadere nella vita di qualcuno.
Metodo di assistenza alla gravità:
Il mezzo più veloce esistente per viaggiare nello spazio è noto come il metodo Gravity Assist, che coinvolge un veicolo spaziale che utilizza il movimento relativo (cioè l'orbita) e la gravità di un pianeta per alterare è il percorso e la velocità. Gli assist gravitazionali sono una tecnica di volo spaziale molto utile, specialmente quando si utilizza la Terra o un altro pianeta enorme (come un gigante gassoso) per aumentare la velocità.
Il Mariner 10 l'astronave fu la prima a usare questo metodo, usando la forza gravitazionale di Venere per lanciarla verso Mercurio nel febbraio del 1974. Negli anni '80, il Voyager 1 sonda ha usato Saturno e Giove per le fionde gravitazionali per raggiungere la sua velocità attuale di 60.000 km / ora (38.000 miglia / ora) e farla nello spazio interstellare.
Tuttavia, è stato il Helios 2 missione - che è stata lanciata nel 1976 per studiare il mezzo interplanetario da 0,3 UA a 1 UA al Sole - che detiene il record per la massima velocità raggiunta con un ausilio alla gravità. Al tempo, Helios 1 (lanciato nel 1974) e Helios 2 detenuto il record per l'approccio più vicino al sole. Helios 2 fu lanciato da un veicolo di lancio convenzionale della NASA Titan / Centaur e collocato in un'orbita altamente ellittica.
A causa della grande eccentricità (0,54) dell'orbita solare delle sonde (190 giorni), al perielio, Helios 2 è stato in grado di raggiungere una velocità massima di oltre 240.000 km / ora (150.000 miglia / ora). Questa velocità orbitale è stata raggiunta dall'attrazione gravitazionale del solo Sole. Tecnicamente, il Helios 2 la velocità del perielio non era una fionda gravitazionale, era una velocità orbitale massima, ma detiene comunque il record per essere l'oggetto creato dall'uomo più veloce, indipendentemente.
Quindi se Voyager 1 stava viaggiando in direzione del nano rosso Proxima Centauri a una velocità costante di 60.000 km / ora, ci sarebbero voluti 76.000 anni (o oltre 2.500 generazioni) per percorrere quella distanza. Ma se potesse raggiungere la velocità record di Helios 2L’approccio ravvicinato del Sole - una velocità costante di 240.000 km / h - ci vorrebbe 19.000 anni (o oltre 600 generazioni) per viaggiare 4.243 anni luce. Significativamente migliore, ma ancora non nel regno della praticità.
Azionamento elettromagnetico (EM):
Un altro metodo proposto per viaggiare interstellare si presenta sotto forma di propulsore a cavità risonante a radiofrequenza (RF), noto anche come EM Drive. Proposto originariamente nel 2001 da Roger K. Shawyer, uno scienziato britannico che ha avviato Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) per concretizzarlo, questo impulso si basa sull'idea che le cavità elettromagnetiche a microonde possono consentire la conversione diretta dell'energia elettrica in spinta .
Mentre i propulsori elettromagnetici convenzionali sono progettati per spingere un certo tipo di massa (come particelle ionizzate), questo particolare sistema di azionamento non si basa su una massa di reazione e non emette radiazioni direzionali. Tale proposta ha suscitato molto scetticismo, principalmente perché viola la legge di Conservazione del Momento - che afferma che all'interno di un sistema, la quantità di quantità di moto rimane costante e non è né creata né distrutta, ma cambia solo attraverso l'azione di forze.
Tuttavia, i recenti esperimenti con il design hanno apparentemente prodotto risultati positivi. Nel luglio 2014, alla 50a conferenza congiunta sulla propulsione AIAA / ASME / SAE / ASEE a Cleveland, Ohio, i ricercatori della ricerca avanzata sulla propulsione della NASA hanno affermato di aver testato con successo un nuovo progetto per un azionamento a propulsione elettromagnetica.
Ciò è stato seguito nell'aprile del 2015 quando i ricercatori della NASA Eagleworks (parte del Johnson Space Center) hanno affermato di aver testato con successo l'unità nel vuoto, un'indicazione che potrebbe effettivamente funzionare nello spazio. Nel luglio dello stesso anno, un gruppo di ricerca del dipartimento del sistema spaziale dell'Università di Tecnologia di Dresda ha costruito la propria versione del motore e osservato una spinta rilevabile.
E nel 2010, il Prof. Juan Yang della Northwestern Polytechnical University di Xi'an, in Cina, ha iniziato a pubblicare una serie di articoli sulla sua ricerca sulla tecnologia EM Drive. Ciò è culminato nel suo documento del 2012 in cui ha riportato una maggiore potenza in ingresso (2,5 kW) e testato i livelli di spinta (720 mN). Nel 2014, ha inoltre riferito di numerosi test che coinvolgono misurazioni della temperatura interna con termocoppie incorporate, che sembra confermare il funzionamento del sistema.
Secondo i calcoli basati sul prototipo della NASA (che ha prodotto una stima della potenza di 0,4 N / kilowatt), un veicolo spaziale equipaggiato con l'unità EM potrebbe effettuare il viaggio verso Plutone in meno di 18 mesi. È un sesto del tempo impiegato dalla sonda New Horizons per arrivarci, che viaggiava a una velocità di quasi 58.000 km / h (36.000 mph).
Sembra impressionante. Ma anche a quel ritmo, ci vorrebbe una nave equipaggiata con motori EM 13.000 anni per la nave raggiungere Proxima Centauri. Avvicinarsi, ma non abbastanza velocemente! e fino a quando non sarà dimostrato che la tecnologia funziona definitivamente, non ha molto senso mettere le nostre uova in questo cestino.
Propulsione nucleare termica / nucleare elettrica (NTP / NEP):
Un'altra possibilità per il volo spaziale interstellare è l'uso di veicoli spaziali dotati di motori nucleari, un concetto che la NASA ha esplorato per decenni. In un razzo a propulsione nucleare nucleare (NTP), le reazioni di uranio o deuterio vengono utilizzate per riscaldare l'idrogeno liquido all'interno di un reattore, trasformandolo in idrogeno gassoso ionizzato (plasma), che viene quindi incanalato attraverso un ugello a razzo per generare spinta.
Un razzo a propulsione nucleare (NEP) coinvolge lo stesso reattore di base che converte il suo calore e la sua energia in energia elettrica, che quindi alimenterebbe un motore elettrico. In entrambi i casi, il razzo si affiderebbe alla fissione nucleare o alla fusione per generare propulsione piuttosto che propellenti chimici, che fino ad oggi è stato il pilastro della NASA e di tutte le altre agenzie spaziali.
Rispetto alla propulsione chimica, sia NTP che NEC offrono numerosi vantaggi. La prima e più ovvia è la densità di energia praticamente illimitata che offre rispetto al carburante per missili. Inoltre, un motore a propulsione nucleare potrebbe anche fornire una spinta superiore rispetto alla quantità di propellente utilizzata. Ciò ridurrebbe la quantità totale di propellente necessaria, riducendo così il peso di lancio e il costo delle singole missioni.
Sebbene nessun motore nucleare-termico sia mai volato, negli ultimi decenni sono stati costruiti e testati diversi concetti di design e sono stati proposti numerosi concetti. Questi hanno spaziato dal tradizionale design a nucleo solido - come il Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA) - a concetti più avanzati ed efficienti che si basano su un nucleo liquido o di un gas.
Tuttavia, nonostante questi vantaggi in termini di consumo di carburante e impulso specifico, il concetto NTP più sofisticato ha un impulso specifico massimo di 5000 secondi (50 kN · s / kg). Usando i motori nucleari guidati dalla fissione o dalla fusione, gli scienziati della NASA stimano che occorrerebbe un'astronave solo 90 giorni per arrivare su Marte quando il pianeta era in "opposizione", vale a dire a soli 55.000.000 di km dalla Terra.
Ma adattato per un viaggio di sola andata per Proxima Centauri, un razzo nucleare impiegherebbe ancora secoli per accelerare al punto in cui volava una frazione della velocità della luce. Richiederebbe quindi diversi decenni di viaggio, seguiti da molti altri secoli di decelerazione prima di raggiungere la sua destinazione. Tutto sommato, stiamo ancora parlando 1000 anni prima che raggiunga la sua destinazione. Buono per le missioni interplanetarie, non così buono per quelle interstellari.
Metodi teorici:
Utilizzando la tecnologia esistente, il tempo necessario per inviare scienziati e astronauti in una missione interstellare sarebbe proibitivamente lento. Se vogliamo fare quel viaggio in una sola vita, o addirittura in una generazione, sarà necessario qualcosa di un po 'più radicale (ovvero altamente teorico). E mentre i wormhole e i motori di salto possono ancora essere pura finzione a questo punto, ci sono alcune idee piuttosto avanzate che sono state prese in considerazione nel corso degli anni.
Propulsione a impulsi nucleari:
La propulsione a impulsi nucleari è una forma teoricamente possibile di viaggi nello spazio veloci. Il concetto fu originariamente proposto nel 1946 da Stanislaw Ulam, un matematico polacco-americano che ha partecipato al Progetto Manhattan, e poi i calcoli preliminari furono poi fatti da F. Reines e Ulam nel 1947. Il progetto attuale - noto come Progetto Orion - fu avviato nel 1958 e durò fino al 1963.
Guidato da Ted Taylor presso General Atomics e il fisico Freeman Dyson dell'Institute for Advanced Study di Princeton, Orion sperava di sfruttare la potenza delle esplosioni nucleari pulsate per fornire una spinta enorme con un impulso specifico molto elevato (cioè la quantità di spinta rispetto al peso o la quantità di secondi che il razzo può continuamente sparare).
In poche parole, il design di Orione coinvolge un grande veicolo spaziale con un alto rifornimento di testate termonucleari che raggiungono la propulsione rilasciando una bomba dietro di essa e quindi cavalcando l'onda di detonazione con l'aiuto di un cuscinetto montato sul retro chiamato "spintore". Dopo ogni esplosione, la forza esplosiva sarebbe assorbita da questo cuscinetto di spinta, che traduce quindi la spinta in quantità di moto.
Sebbene difficilmente elegante per gli standard moderni, il vantaggio del design è che raggiunge un impulso specifico elevato - il che significa che estrae la massima quantità di energia dalla sua fonte di carburante (in questo caso, le bombe nucleari) a un costo minimo. Inoltre, il concetto potrebbe teoricamente raggiungere velocità molto elevate, con alcune stime che suggeriscono una figura del campo da baseball pari al 5% della velocità della luce (o 5,4 × 107 km / h).
Ma ovviamente, ci sono gli inevitabili aspetti negativi del design. Per uno, una nave di queste dimensioni sarebbe incredibilmente costosa da costruire. Secondo le stime prodotte da Dyson nel 1968, un veicolo spaziale Orion che utilizzava bombe all'idrogeno per generare propulsione peserebbe da 400.000 a 4.000.000 di tonnellate. E almeno tre quarti di quel peso è costituito da bombe nucleari, dove ogni testata pesa circa 1 tonnellata.
Tutto sommato, le stime più prudenti di Dyson hanno fissato il costo totale della costruzione di un mezzo Orion a 367 miliardi di dollari. Aggiustato per l'inflazione, che arriva a circa $ 2,5 trilioni di dollari, che rappresenta oltre i due terzi delle entrate annuali correnti del governo degli Stati Uniti. Quindi, anche nella sua forma più leggera, l'imbarcazione sarebbe estremamente costosa da fabbricare.
C'è anche il leggero problema di tutte le radiazioni che genera, per non parlare delle scorie nucleari. In effetti, è per questo motivo che si ritiene che il Progetto sia stato terminato, a causa del passaggio del Trattato sul divieto di prova parziale del 1963, che ha cercato di limitare i test nucleari e fermare il rilascio eccessivo di ricadute nucleari nell'atmosfera del pianeta.
Razzi Fusion:
Un'altra possibilità nel regno dell'energia elettrica sfruttata riguarda i razzi che si basano su reazioni termonucleari per generare spinta. Per questo concetto, l'energia viene creata quando i pellet di una miscela di deuterio / elio-3 vengono accesi in una camera di reazione per confinamento inerziale usando fasci di elettroni (simile a quello che viene fatto presso il National Ignition Facility in California). Questo reattore a fusione avrebbe fatto esplodere 250 pellet al secondo per creare plasma ad alta energia, che sarebbe poi diretto da un ugello magnetico per creare spinta.
Come un razzo che si basa su un reattore nucleare, questo concetto offre vantaggi in termini di consumo di carburante e impulso specifico. Si stimano velocità di scarico fino a 10.600 km / s, che è molto al di là della velocità dei razzi convenzionali. Inoltre, la tecnologia è stata ampiamente studiata negli ultimi decenni e sono state fatte molte proposte.
Ad esempio, tra il 1973 e il 1978, la British Interplanetary Society ha condotto uno studio di fattibilità noto come Progetto Daedalus. Basandosi sulle attuali conoscenze della tecnologia di fusione e dei metodi esistenti, lo studio ha richiesto la creazione di una sonda scientifica senza equipaggio a due stadi che effettui un viaggio alla Stella di Barnard (5,9 anni luce dalla Terra) in una sola vita.
Il primo stadio, il più grande dei due, opererebbe per 2,05 anni e accelererebbe il veicolo spaziale al 7,1% della velocità della luce (o.071 c). Questo stadio sarebbe quindi gettato via, a quel punto, il secondo stadio avrebbe acceso il suo motore e accelerato il veicolo spaziale fino a circa il 12% della velocità della luce (0,12 c) nel corso di 1,8 anni. Il motore del secondo stadio sarebbe quindi spento e la nave sarebbe entrata in un periodo di crociera di 46 anni.
Secondo le stime del progetto, la missione impiegherebbe 50 anni per raggiungere la stella di Barnard. Rettificato per Proxima Centauri, la stessa nave potrebbe effettuare il viaggio 36 anni. Ma, naturalmente, il progetto ha anche identificato numerosi ostacoli che lo hanno reso irrealizzabile utilizzando la tecnologia attuale, la maggior parte dei quali è ancora irrisolta.
Ad esempio, c'è il fatto che l'elio-3 è scarso sulla Terra, il che significa che dovrebbe essere estratto altrove (molto probabilmente sulla Luna). In secondo luogo, la reazione che guida il veicolo spaziale richiede che l'energia rilasciata superi di gran lunga l'energia utilizzata per innescare la reazione. E mentre gli esperimenti qui sulla Terra hanno superato l'obiettivo del "pareggio", siamo ancora molto lontani dal tipo di energia necessaria per alimentare un'astronave interstellare.
In terzo luogo, esiste il fattore costo per la costruzione di tale nave. Anche secondo il modesto standard del velivolo senza pilota del Progetto Daedalus, un velivolo a pieno carico peserebbe fino a 60.000 Mt. Per dirlo in prospettiva, il peso lordo della SLS della NASA è di poco superiore ai 30 Mt e un singolo lancio ha un prezzo di $ 5 miliardi (basato sulle stime fatte nel 2013).
In breve, un missile a fusione non sarebbe solo costoso da costruire; richiederebbe anche un livello di tecnologia del reattore a fusione che è attualmente al di là dei nostri mezzi. Icarus Interstellar, un'organizzazione internazionale di scienziati volontari cittadini (alcuni dei quali hanno lavorato per la NASA o l'ESA) da allora hanno tentato di rivitalizzare il concetto con il Progetto Icarus. Fondato nel 2009, il gruppo spera di rendere possibile la propulsione a fusione (tra le altre cose) nel prossimo futuro.
Fusion Ramjet:
Conosciuto anche come Bussard Ramjet, questa forma teorica di propulsione fu proposta per la prima volta dal fisico Robert W. Bussard nel 1960. Fondamentalmente, è un miglioramento rispetto al razzo a fusione nucleare standard, che utilizza campi magnetici per comprimere l'idrogeno al punto tale fusione si verifica. Ma nel caso di Ramjet, un enorme imbuto elettromagnetico "raccoglie" l'idrogeno dal mezzo interstellare e lo scarica nel reattore come combustibile.
Mentre la nave prende velocità, la massa reattiva viene forzata in un campo magnetico progressivamente ristretto, comprimendolo fino a quando si verifica la fusione termonucleare. Il campo magnetico quindi dirige l'energia come scarico del razzo attraverso un ugello del motore, accelerando così la nave. Senza serbatoi di carburante che lo appesantirebbero, un ramjet a fusione potrebbe raggiungere velocità vicine al 4% della velocità della luce e viaggiare ovunque nella galassia.
Tuttavia, i potenziali svantaggi di questo design sono numerosi. Ad esempio, c'è il problema del trascinamento. La nave fa affidamento su una maggiore velocità per accumulare carburante, ma quando si scontra con un numero sempre maggiore di idrogeno interstellare, può anche perdere velocità, specialmente nelle regioni più dense della galassia. In secondo luogo, il deuterio e il trizio (usati nei reattori a fusione qui sulla Terra) sono rari nello spazio, mentre la fusione dell'idrogeno regolare (che è abbondante nello spazio) va oltre i nostri metodi attuali.
Questo concetto è stato ampiamente diffuso nella fantascienza. Forse l'esempio più noto di questo è nel franchising di Star Trek, dove i "collezionisti Bussard" sono le brillanti gondole sui motori a curvatura. Ma in realtà, la nostra conoscenza delle reazioni alla fusione deve progredire considerevolmente prima che un ramjet sia possibile. Dovremmo anche capire quel fastidioso problema di resistenza prima di iniziare a considerare di costruire una nave del genere!
Laser Sail:
Le vele solari sono state a lungo considerate un modo economico per esplorare il sistema solare. Oltre ad essere relativamente facile ed economico da produrre, c'è il vantaggio aggiuntivo delle vele solari che non richiedono carburante. Invece di usare razzi che richiedono propellente, la vela utilizza la pressione di radiazione proveniente dalle stelle per spingere grandi specchi ultrasottili ad alte velocità.
Tuttavia, per motivi di volo interstellare, una tale vela dovrebbe essere guidata da raggi di energia focalizzati (cioè laser o microonde) per spingerla a una velocità che si avvicina alla velocità della luce. Il concetto fu originariamente proposto da Robert Forward nel 1984, che all'epoca era un fisico presso i laboratori di ricerca di Hughes Aircraft.
Il concetto conserva i vantaggi di una vela solare, in quanto non richiede carburante a bordo, ma anche dal fatto che l'energia del laser non si dissipa con la distanza quasi quanto la radiazione solare. Quindi, mentre una vela a guida laser impiegherebbe del tempo per accelerare a velocità quasi luminose, si limiterebbe solo alla velocità della luce stessa.
Secondo uno studio del 2000 prodotto da Robert Frisbee, un direttore di studi avanzati sul concetto di propulsione presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA, una vela laser potrebbe essere accelerata a metà della velocità della luce in meno di un decennio. Ha anche calcolato che una vela di circa 320 km (200 miglia) di diametro potrebbe raggiungere Proxima Centauri in poco tempo 12 anni. Nel frattempo, una vela di circa 965 km (600 miglia) di diametro sarebbe arrivata proprio sotto 9 anni.
Tuttavia, una tale vela dovrebbe essere costruita con compositi avanzati per evitare lo scioglimento. Combinato con le sue dimensioni, questo aggiungerebbe a un bel centesimo! Ancora peggio è la pura spesa sostenuta dalla costruzione di un laser grande e abbastanza potente da guidare una vela a metà della velocità della luce. Secondo lo studio del Frisbee, i laser richiederebbero un flusso costante di 17.000 terawatt di potenza - vicino a ciò che il mondo intero consuma in un solo giorno.
Motore antimateria:
Gli appassionati di fantascienza avranno sicuramente sentito parlare dell'antimateria. Ma in caso contrario, l'antimateria è essenzialmente materiale composto da antiparticelle, che hanno la stessa massa ma carica opposta rispetto alle particelle normali. Un motore antimateria, nel frattempo, è una forma di propulsione che utilizza interazioni tra materia e antimateria per generare energia o creare spinta.
In breve, un motore antimateria coinvolge particelle di idrogeno e antiidrogeno che vengono sbattute insieme. Questa reazione libera tutta l'energia di una bomba termonucleare, insieme a una pioggia di particelle subatomiche chiamate pioni e muoni. Queste particelle, che viaggerebbero a un terzo della velocità della luce, vengono quindi canalizzate da un ugello magnetico per generare spinta.
Il vantaggio di questa classe di razzi è che una grande frazione della massa rimanente di una miscela materia / antimateria può essere convertita in energia, consentendo ai razzi antimateria di avere una densità energetica e un impulso specifici molto più elevati rispetto a qualsiasi altra classe di razzi proposta. Inoltre, controllare questo tipo di reazione potrebbe presumibilmente spingere un razzo fino a metà della velocità della luce.
Libbre per libbra, questa classe di navi sarebbe la più veloce ed efficiente in termini di consumo di carburante mai concepita. Mentre i razzi convenzionali richiedono tonnellate di carburante chimico per spingere un'astronave a destinazione, un motore antimateria potrebbe fare lo stesso lavoro con pochi milligrammi di carburante. In effetti, il reciproco annientamento di mezzo chilo di particelle di idrogeno e antiidrogeno scatenerebbe più energia di una bomba all'idrogeno da 10 megaton.
È per questo motivo esatto che NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) ha studiato la tecnologia come possibile mezzo per future missioni su Marte. Sfortunatamente, quando si contemplano le missioni nei sistemi stellari vicini, la quantità di carburante necessaria per effettuare il viaggio viene moltiplicata in modo esponenziale e il costo per produrlo sarebbe astronomico (nessun gioco di parole!).
Secondo un rapporto preparato per la 39a Conferenza ed esposizione congiunta AIAA / ASME / SAE / ASEE (anche di Robert Frisbee), un razzo antimateria a due stadi avrebbe bisogno di oltre 815.000 tonnellate (900.000 tonnellate USA) di carburante per compiere il viaggio a Proxima Centauri in circa 40 anni. Non è male, per quanto riguarda le scadenze. Ma ancora una volta, il costo ...
Mentre un singolo grammo di antimateria produrrebbe un'incredibile quantità di energia, si stima che produrre un solo grammo richiederebbe circa 25 milioni di miliardi di chilowattora di energia e costerebbe oltre un trilione di dollari. Allo stato attuale, la quantità totale di antimateria che è stata creata dall'uomo è inferiore a 20 nanogrammi.
E anche se potessimo produrre antimateria a basso costo, avresti bisogno di una nave enorme per contenere la quantità di carburante necessaria. Secondo un rapporto del Dr. Darrel Smith e Jonathan Webby dell'Università aeronautica Embry-Riddle in Arizona, un veicolo interstellare dotato di un motore antimateria potrebbe raggiungere 0,5 velocità di luce e raggiungere Proxima Centauri in poco più 8 anni. Tuttavia, la nave stessa peserebbe 400 tonnellate (441 tonnellate USA) e avrebbe bisogno di 170 tonnellate (187 tonnellate USA) di combustibile antimateria per compiere il viaggio.
Un possibile modo per aggirare questo è quello di creare una nave in grado di creare antimateria che potrebbe quindi immagazzinare come combustibile. Questo concetto, noto come Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), è stato proposto da Richard Obousy di Icarus Interstellar. Sulla base dell'idea del rifornimento in loco, una nave VARIES si affiderebbe a grandi laser (alimentati da enormi array solari) che creerebbero particelle di antimateria quando sparassero nello spazio vuoto.
Proprio come il concetto di Ramjet, questa proposta risolve il problema del trasporto di carburante sfruttandolo dallo spazio. Ma ancora una volta, il semplice costo di una tale nave sarebbe proibitivamente costoso usando la tecnologia attuale. Inoltre, la capacità di creare antimateria in grandi volumi non è qualcosa che attualmente abbiamo il potere di fare. C'è anche la questione delle radiazioni, poiché l'annientamento materia-antimateria può produrre esplosioni di raggi gamma ad alta energia.
Ciò non solo rappresenta un pericolo per l'equipaggio, che richiede una schermatura significativa delle radiazioni, ma richiede anche che i motori siano schermati per garantire che non subiscano un degrado atomico da tutte le radiazioni a cui sono esposti. In conclusione, il motore dell'antimateria è completamente impraticabile con la nostra tecnologia attuale e nell'attuale ambiente di bilancio.
Alcubierre Warp Drive:
Anche gli appassionati di fantascienza hanno sicuramente familiarità con il concetto di Alcubierre (o "Warp") Drive. Proposto dal fisico messicano Miguel Alcubierre nel 1994, questo metodo proposto era un tentativo di rendere possibile il viaggio FTL senza violare la teoria della relatività speciale di Einstein. In breve, il concetto prevede l'allungamento del tessuto dello spazio-tempo in un'onda, che teoricamente causerebbe la contrazione dello spazio davanti a un oggetto e l'espansione dello spazio dietro di esso.
Un oggetto all'interno di questa onda (cioè un'astronave) sarebbe quindi in grado di cavalcare quest'onda, nota come "bolla di curvatura", oltre le velocità relativistiche. Poiché la nave non si muove all'interno di questa bolla ma viene portata avanti mentre si muove, le regole dello spazio-tempo e della relatività cesserebbero di applicarsi. Il motivo è che questo metodo non si basa sullo spostamento più veloce della luce in senso locale.
È solo "più veloce della luce", nel senso che la nave potrebbe raggiungere la sua destinazione più velocemente di un raggio di luce che viaggiava al di fuori della bolla di curvatura. Supponendo quindi che un veicolo spaziale potrebbe essere equipaggiato con un sistema Alcubierre Drive, sarebbe in grado di effettuare il viaggio a Proxima Centauri in meno di 4 anni. Quindi, quando si tratta di viaggi spaziali interstellari teorici, questa è di gran lunga la tecnologia più promettente, almeno in termini di velocità.
Naturalmente, nel corso degli anni il concetto ha ricevuto la sua parte di controargomentazioni. Il principale tra questi è il fatto che non tiene conto della meccanica quantistica e potrebbe essere invalidato da una Teoria di Tutto (come la gravità quantistica ad anello). I calcoli sulla quantità di energia richiesta hanno anche indicato che un'unità di curvatura richiederebbe una quantità proibitiva di potenza per funzionare. Altre incertezze includono la sicurezza di tale sistema, gli effetti sullo spazio-tempo a destinazione e le violazioni della causalità.
However, in 2012, NASA scientist Harold Sonny White announced that he and his colleagues had begun researching the possibility of an Alcubierre Drive. In a paper titled “Warp Field Mechanics 101“, White claimed that they had constructed an interferometer that will detect the spatial distortions produced by the expanding and contracting spacetime of the Alcubierre metric.
In 2013, the Jet Propulsion Laboratory published results of a warp field test which was conducted under vacuum conditions. Unfortunately, the results were reported as “inconclusive”. Long term, we may find that Alcubierre’s metric may violate one or more fundamental laws of nature. And even if the physics should prove to be sound, there is no guarantee it can be harnessed for the sake of FTL flight.
In conclusion, if you were hoping to travel to the nearest star within your lifetime, the outlook isn’t very good. However, if mankind felt the incentive to build an “interstellar ark” filled with a self-sustaining community of space-faring humans, it might be possible to travel there in a little under a century if we were willing to invest in the requisite technology.
But all the available methods are still very limited when it comes to transit time. And while taking hundreds or thousands of years to reach the nearest star may matter less to us if our very survival was at stake, it is simply not practical as far as space exploration and travel goes. By the time a mission reached even the closest stars in our galaxy, the technology employed would be obsolete and humanity might not even exist back home anymore.
So unless we make a major breakthrough in the realms of fusion, antimatter, or laser technology, we will either have to be content with exploring our own Solar System or be forced to accept a very long-term transit strategy…
We have written many interesting articles about space travel here at Space Magazine. Here’s Will We Ever Reach Another Star?, Warp Drives May Come With a Killer Downside, The Alcubierre Warp Drive, How Far Is A Light Year?, When Light Just Isn’t Fast Enough, When Will We Become Interstellar?, and Can We Travel Faster Than the Speed of Light?
For more information, be sure to consult NASA’s pages on Propulsion Systems of the Future, and Is Warp Drive Real?
And fans of interstellar travel should definitely check out Icarus Interstellar and the Tau Zero Foundation websites. Keep reaching for those stars!
