I ricercatori hanno proposto un nuovo metodo di propulsione che potrebbe rendere fattibile coprire le vaste distanze richieste per le missioni interstellari entro una vita umana. La sfida fondamentale nel raggiungere un diverso sistema stellare risiede nel capire come generare e trasferire abbastanza energia a un’astronave in modo efficiente ed economico. Le limitazioni fisiche delle astronavi moderne pongono sfide significative per raggiungere lo spazio interstellare in una vita umana, specialmente con lo spazio limitato a bordo per trasportare propellente o batterie. Se vogliamo mai raggiungere le velocità tremende necessarie per attraversare le distanze interstellari in una vita umana, dobbiamo trovare soluzioni fuori dagli schemi. Entrano in gioco i fasci di elettroni relativistici composti da elettroni che si muovono vicino alla velocità della luce. “Trasmettere energia alla nave è stato a lungo riconosciuto come un modo per ottenere più energia […] di quella che possiamo portare con noi,” ha detto Jeff Greason, Chief Technologist di Electric Sky, Inc, e presidente della Tau Zero Foundation. “L’energia è potenza [moltiplicata per] tempo — quindi per ottenere una data quantità di energia da un fascio, hai bisogno di una potenza molto alta o devi rimanere nel fascio per molto tempo.” Una soluzione recentemente proposta utilizza fasci di elettroni accelerati a velocità prossime alla luce per spingere le astronavi, qualcosa che potrebbe superare le vaste distanze tra la Terra e la stella più vicina. “Per il volo interstellare, la sfida principale è che le distanze sono così grandi,” ha spiegato Greason. “Alpha Centauri è a 4,3 anni luce di distanza; circa 2.000 volte più lontano dal sole di quanto la sonda Voyager 1 abbia raggiunto — la sonda più lontana che abbiamo mai inviato nello spazio profondo finora. Nessuno è probabile che finanzi una missione scientifica che impiega molto più di 30 anni per restituire i dati — ciò significa che dobbiamo volare veloci.” Uno studio di Greason e Gerrit Bruhaug, un fisico del Los Alamos National Laboratory, pubblicato sulla rivista Acta Astronautica, evidenzia che raggiungere velocità interstellari pratiche dipende dalla capacità di fornire quantità sufficienti di energia cinetica all’astronave in modo economico. “Il volo interstellare richiede di raccogliere e controllare enormi quantità di energia per raggiungere velocità abbastanza veloci da essere utili,” ha detto Greason. “I razzi chimici che usiamo oggi, anche con l’aumento di velocità extra derivante dal volo vicino ai pianeti, o dal […] passaggio vicino al sole per un impulso, semplicemente non hanno la capacità di scalare a velocità interstellari utili.” La maggior parte degli studi teorici sui “beam riders” per il viaggio interstellare si sono concentrati sui fasci laser, che sono composti da particelle di luce chiamate fotoni. Esempi notevoli includono i ramjet interstellari alimentati da laser e le vele laser. I ramjet spingono le astronavi comprimendo il gas di idrogeno raccolto dal mezzo interstellare, con energia fornita da un fascio laser trasmesso da una fonte distante. Al contrario, le vele laser utilizzano il momento dei fotoni del fascio laser per spingere l’astronave in avanti. Mentre entrambi i concetti sembrano essere soluzioni ideali, diverse limitazioni ne ostacolano l’applicazione. I ramjet interstellari affrontano sfide come la scarsa densità del mezzo interstellare e i requisiti energetici e di fusione immensi. Le vele laser, sebbene più semplici nel design, faticano a mantenere l’allineamento e l’intensità del fascio su vaste distanze per garantire un’adeguata fornitura di energia. Gli elettroni, al contrario, sono molto più facili da accelerare a velocità prossime alla luce e offrono vantaggi unici, sebbene rimangano meno esplorati a causa delle loro limitazioni. “Poiché gli elettroni sono tutti caricati negativamente, si respingono a vicenda, il che disperde il fascio,” ha spiegato Greason. Ma Greason e Bruhaug sostengono che ci sono modi per contrastare questo. A velocità relativistiche — cioè vicino alla velocità della luce — il tempo si muove più lentamente, il che significherebbe che il fascio di elettroni non avrebbe abbastanza tempo per disperdersi, mantenendo il fascio focalizzato. L’altro vantaggio risiede nel fatto che lo spazio non è vuoto. “C’è una diffusione molto sottile di gas ionizzati chiamati plasma che riempie lo spazio, che ha i suoi elettroni e ioni che fluttuano in giro,” ha spiegato Greason. ”Quando il fascio di elettroni passa attraverso [questo plasma], respinge gli elettroni più leggeri di questo gas di fondo, ma gli ioni, che sono pesanti, si muovono più lentamente e vengono lasciati indietro.” Quando il fascio di elettroni passa attraverso il plasma, vede un campo magnetico dovuto al passaggio degli ioni lasciati indietro dal plasma spaziale; quel campo magnetico crea una forza che tira il fascio di elettroni insieme, comprimendo efficacemente il fascio e impedendogli di disperdersi. “Questo è chiamato ‘pinch relativistico’,” ha detto Greason. “Se tutto funziona correttamente, possiamo mantenere il fascio insieme nello spazio per una distanza molto lunga — migliaia di volte la distanza dalla Terra al sole — e ciò fornirebbe l’energia per accelerare un’astronave.” Nel loro articolo, il duo ha calcolato che un fascio di elettroni che viaggia a queste velocità potrebbe generare abbastanza energia per spingere una sonda di 1.000 kg — circa la stessa dimensione della Voyager 1 — fino al 10% della velocità della luce. Questo le permetterebbe di raggiungere Alpha Centauri in soli 40 anni, un miglioramento significativo rispetto ai 70.000 anni attuali. Greason sostiene che esempi di questi fasci relativistici compressi esistono già nello spazio profondo, come i getti di particelle cariche rilasciati dai buchi neri, indicando che è ipoteticamente possibile. “Ma possiamo produrre quelle condizioni artificialmente?” ha chiesto. “Il campo magnetico del sole romperà il fascio? Come avvieremmo il fascio di elettroni? Queste sono tutte domande che rimangono.” Nell’articolo, il team suggerisce di posizionare un “veicolo generatore di fasci” vicino al sole, dove la luce solare intensa potrebbe fornire l’energia necessaria per il fascio. “Sebbene ci sia lavoro di ingegneria da fare per creare un fascio di alta potenza, non è particolarmente difficile rispetto alle altre sfide,” ha commentato Greason. Proiettare un fascio di elettroni verso un’astronave è anche solo metà della sfida — l’energia generata deve essere in grado di spingere un’astronave. “Ciò significa convertire l’energia del fascio in espulsione di qualche tipo di propellente o ‘massa di reazione’,” ha detto Greason. “Questo fascio trasmetterebbe molta energia, e quella conversione dovrebbe mettere pochissimo calore di scarto nell’astronave in modo che non si sciolga!” Dice che hanno alcune idee su come questo potrebbe essere realizzato, ma sono tutte attualmente ipotetiche e richiedono più lavoro per essere comprese. Devono anche fare più studi di modellazione al computer per comprendere meglio il comportamento del fascio e come potrebbe essere avviato, e poi esperimenti basati nello spazio fornirebbero dati concreti su cui lavorare. “Ad esempio, un satellite lontano dalla Terra potrebbe trasmettere un fascio alla Luna per confermare sperimentalmente che i risultati corrispondono a quelli previsti dalla modellazione,” ha detto Greason. Sebbene ottenere finanziamenti possa essere una sfida, gli scienziati sostengono che rispetto ad alternative come le vele spinte da laser, i fasci di elettroni potrebbero raggiungere 10.000 volte la portata, richiedendo quindi meno energia, e essere in grado di spingere astronavi più pesanti. “Il costo di creare un grande fascio scala con la potenza, quindi l’approccio del fascio di elettroni relativistici potrebbe essere significativamente più conveniente,” ha detto Greason. “Il lavoro che si sta facendo sulle astronavi spinte da laser per il volo interstellare sta considerando navi di solo pochi grammi, e questo è molto difficile per ottenere dati scientifici di ritorno. Se possiamo spingere astronavi più grandi di decine di chilogrammi, possiamo includere più alimentazione, strumenti e comunicazioni per inviare i dati alla Terra.” La capacità di trasmettere energia su lunghe distanze ha implicazioni di vasta portata, dal consentire viaggi più veloci all’interno del sistema solare al trasmettere energia dal sole ad altre località come la Luna. Sebbene rimanga un obiettivo lontano, ridurre il costo del trasporto interstellare potrebbe un giorno permettere agli esseri umani di fare viaggi verso altre stelle, spingendo i confini di ciò che è mai stato pensato possibile nell’esplorazione spaziale.
Teletrasportami alle stelle: Gli scienziati propongono una nuova tecnologia selvaggia per i viaggi interstellari
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