Tutti ci siamo posti questa domanda ad un certo punto della nostra vita: quanto tempo ci vorrebbe per viaggiare verso le stelle? Potrebbe essere durante la vita di una persona e questo tipo di viaggio potrebbe diventare la norma un giorno? Ci sono molte possibili risposte a questa domanda, alcune molto semplici, altre nel regno della fantascienza. Ma trovare una risposta esauriente significa prendere in considerazione molte cose.
Sfortunatamente, è probabile che qualsiasi valutazione realistica produca risposte che scoraggerebbero totalmente i futuristi e gli appassionati di viaggi interstellari. Piaccia o no, lo spazio è molto grande e la nostra tecnologia è ancora molto limitata. Ma se dovessimo mai contemplare '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' nel Hertzsprung – Diagramma di Russell la 'Sequenza principale'. Ciò significa che è altamente stabile, fornendo alla Terra il giusto tipo di luce solare affinché la vita si evolva 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 alle nostre.
Sono stati identificati oltre 2000 pianeti extrasolari, molti dei quali si ritiene siano abitabili. Credito: phl.upl.edu
In futuro, se l'umanità volesse lasciare il Sistema Solare, avremo una vasta scelta di stelle in cui potremmo viaggiare, e molte potrebbero avere le condizioni giuste per far prosperare la vita. Ma dove andremmo e quanto tempo impiegheremmo per arrivarci?
Ricorda, questo è tutto speculativo e attualmente non esiste un punto di riferimento per i viaggi interstellari. Detto questo, ci siamo!
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 stellare triplo chiamato Alpha Centauri, Proxima si trova a circa 4,24 anni luce (o 1,3 parsec) dalla Terra. Alpha Centauri ? è la più brillante delle tre stelle del sistema (parte di una binaria distante 4,37 anni luce) mentre Proxima Centauri è una nana rossa isolata.
E mentre il viaggio interstellare evoca tutti i tipi di visioni del viaggio più veloce della luce (FTL), che vanno dalla velocità di curvatura e dai wormhole ai salti, tali teorie sono altamente speculative (come il Alcubierre Drive ) o interamente provincia della fantascienza. Con ogni probabilità, qualsiasi missione nello spazio profondo richiederà generazioni per arrivarci, piuttosto che pochi giorni o in un lampo istantaneo.
Quindi, partendo dalle forme più lente di viaggio spaziale, 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 facile quando si ha a che fare con la tecnologia e i corpi esistenti all'interno del nostro Sistema Solare. Ad esempio, utilizzando la tecnologia che ha alimentato il Nuovi orizzonti missione – che consisteva in 16 propulsori alimentati con monopropellente a idrazina – raggiungere la luna ci vorrebbero solo 8 ore e 35 minuti.
Dall'altro c'è l'Agenzia Spaziale Europea (ESA) Missione SMART-1 , che ha impiegato del tempo per viaggiare sulla Luna usando il metodo della propulsione ionica. Con questa tecnologia rivoluzionaria, una cui variante è stata da allora utilizzata dal Astronave Dawn per raggiungere Vesta, la missione SMART-1 ha impiegato un anno, un mese e due settimane per raggiungere la Luna.
Quindi, dal veloce veicolo spaziale con propulsione a razzo all'economico motore ionico, abbiamo alcune opzioni per spostarci nello spazio locale, inoltre potremmo usare Giove o Saturno per una potente fionda gravitazionale. Tuttavia, se dovessimo contemplare missioni da qualche parte un po' più fuori mano, dovremmo ampliare la nostra tecnologia e guardare a ciò che è veramente possibile.
Quando diciamo metodi possibili, parliamo di quelli che coinvolgono la tecnologia esistente, o quelli che ancora non esistono ma sono tecnicamente fattibili. Alcuni, come vedrai, sono consolidati e provati, mentre altri stanno emergendo o sono ancora sul tabellone. In quasi tutti i casi, tuttavia, presentano uno scenario possibile (ma estremamente lungo o costoso) per raggiungere anche le stelle più vicine...
Propulsione Ionica:
Attualmente, la forma di propulsione più lenta e più efficiente in termini di consumo di carburante è il motore a ioni. Alcuni decenni fa, la propulsione ionica era considerata oggetto di fantascienza. Tuttavia, negli ultimi anni, la tecnologia per supportare i motori ionici 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 percorso un percorso a spirale di 13 mesi dalla Terra.
SMART-1 utilizzava propulsori ionici a energia solare, dove l'energia elettrica veniva raccolta dai suoi pannelli solari e utilizzata per alimentare i suoi Propulsori ad effetto Hall . Solo 82 kg di propellente allo xeno sono stati utilizzati 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 ad utilizzare la tecnologia di azionamento ionico è stata la Spazio profondo 1missione sulla cometa Borrelly che ha avuto luogo nel 1998. DS1 utilizzava anche un motore ionico alimentato allo xeno, consumando 81,5 kg di propellente. In 20 mesi di spinta, DS1 è riuscito a raggiungere una velocità di 56.000 km/h (35.000 miglia/h) durante il sorvolo della cometa
I propulsori ionici sono quindi più economici della tecnologia a razzo, poiché la spinta per unità di massa del propellente (alias impulso specifico) è molto più elevata. Ma ci vuole molto tempo perché i propulsori ionici accelerino la navicella spaziale a qualsiasi grande velocità, e la velocità massima che può raggiungere dipende dalla sua fornitura di carburante e da quanta energia elettrica può generare.
Concetto artistico della missione Dawn sopra Cerere. Dal suo arrivo, la navicella si è voltata per puntare il bagliore blu del suo motore a ioni nella direzione opposta. Credito immagine: NASA/JPL
Quindi, se la propulsione ionica dovesse essere utilizzata per una missione a Proxima Centauri, i propulsori avrebbero bisogno di un'enorme fonte di produzione di energia (cioè energia nucleare) e una grande quantità di propellente (sebbene ancora inferiore ai razzi convenzionali). Ma partendo dal presupposto che una fornitura di 81,5 kg di propellente allo xeno si traduce in una velocità massima di 56.000 km/h, si possono fare alcuni calcoli.
In breve, a una velocità massima di 56.000 km/h,Spazio profondo 1prenderebbe il sopravvento81.000 anniper 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 a ioni sarebbe troppo lenta per essere considerata per una missione interstellare con equipaggio.
Ma, se i propulsori ionici fossero fatti più grandi e più potenti (cioè la velocità di scarico degli ioni dovrebbe essere significativamente più alta) e si potrebbe trasportare abbastanza propellente per mantenere la navicella 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 gravitazionale:
Il mezzo di viaggio spaziale più veloce esistente è noto come metodo Gravity Assist, che prevede che un veicolo spaziale utilizzi il movimento relativo (cioè l'orbita) e la gravità di un pianeta per alterare il percorso e la velocità. Gli aiuti 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.
Una sonda Helios incapsulata per il lancio. Credito: dominio pubblico
Il Marinaio 10 la navicella spaziale è stata la prima a utilizzare questo metodo, utilizzando l'attrazione gravitazionale di Venere per lanciarlo verso Mercurio nel febbraio del 1974. Negli anni '80, il in viaggio 1 la sonda ha utilizzato Saturno e Giove per le fionde gravitazionali per raggiungere la sua velocità attuale di 60.000 km/h (38.000 miglia/h) e raggiungere lo spazio interstellare.
Tuttavia, è stato il Helios 2 missione - lanciata nel 1976 per studiare il mezzo interplanetario da 0,3 AU a 1 AU al Sole - che detiene il record per la massima velocità raggiunta con un'assistenza gravitazionale. Al tempo,Helios 1(che ha lanciato nel 1974) eHelios 2deteneva il record per il massimo avvicinamento al Sole.Helios 2è stato lanciato da un veicolo di lancio Titan/Centaur convenzionale della NASA e posto in un'orbita altamente ellittica.
A causa della grande eccentricità (0,54) dell'orbita solare della sonda (190 giorni), al perielio,Helios 2è stato in grado di raggiungere una velocità massima di oltre 240.000 km/h (150.000 miglia/h), raggiunta solo dalla forza gravitazionale del Sole. Tecnicamente, ilHelios 2la velocità del perielio non era una fionda gravitazionale, era una velocità orbitale massima, ma detiene ancora il record per essere l'oggetto artificiale più veloce a prescindere.
Quindi sein viaggio 1stava viaggiando in direzione di Proxima Centauri a una velocità costante di 60.000 km/h, ci vorrebbero 76.000 anni (oltre 2.500 generazioni) per arrivarci. Ma se potesse raggiungere la velocità record diHelios 2l'avvicinamento ravvicinato del Sole - una velocità costante di 240.000 km/h - ci vorrebbe19.000 anni(o più di 600 generazioni) per viaggiare 4.243 anni luce. Significativamente migliore, ma ancora non nel regno della praticità.
Rappresentazione artistica di un Crew Transfer Vehicle (CTV) che utilizza i suoi motori a razzo nucleare-termico per rallentare e stabilire un'orbita attorno a Marte. Credito: NASA
Propulsione nucleare termica/nucleare elettrica (NTP/NEP):
Un'altra possibilità per il volo spaziale interstellare è quella di utilizzare veicoli spaziali dotati di motori nucleari , un concetto che la NASA sta esplorando da decenni. In un razzo a propulsione termica nucleare (NTP), le reazioni di uranio o deuterio vengono utilizzate per riscaldare l'idrogeno liquido all'interno di un reattore, trasformandolo in gas di idrogeno ionizzato (plasma), che viene quindi incanalato attraverso un ugello del razzo per generare la spinta.
Un razzo a propulsione elettrica nucleare (NEP) coinvolge lo stesso reattore di base che converte il suo calore e la sua energia in energia elettrica, che poi alimenterebbe un motore elettrico. In entrambi i casi, il razzo farebbe affidamento sulla fissione o fusione nucleare per generare propulsione piuttosto che propellenti chimici, che è stato il pilastro della NASA e di tutte le altre agenzie spaziali fino ad oggi.
Rispetto alla propulsione chimica, sia NTP che NEC offrono una serie di vantaggi. Il primo e più ovvio è la densità di energia virtualmente 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 del lancio e il costo delle singole missioni.
Sebbene nessun motore termonucleare abbia mai volato, negli ultimi decenni sono stati costruiti e testati diversi concetti di progettazione e sono stati proposti numerosi concetti. Questi hanno spaziato dal tradizionale design solid-core, come il Motore nucleare per applicazioni su veicoli a razzo (NERVA) – a concetti più avanzati ed efficienti che si basano su un nucleo liquido o gassoso.
Tuttavia, nonostante questi vantaggi in termini di efficienza del carburante e impulso specifico, il concetto NTP più sofisticato ha un impulso specifico massimo di 5000 secondi (50 kN·s/kg). Usando motori nucleari azionati da fissione o fusione, gli scienziati della NASA stimano che ci vorrebbe solo un'astronave 90 giorni per arrivare su Marte quando il pianeta era 'all'opposizione', cioè a 55.000.000 di km dalla Terra.
Ma adattato per un viaggio di sola andata verso Proxima Centauri, un razzo nucleare impiegherebbe ancora secoli per raggiungere una frazione della velocità della luce. Avrebbe quindi richiesto diversi decenni di viaggio, seguiti da molti altri secoli di decelerazione prima di raggiungere la sua destinazione. Tutto sommato, stiamo ancora parlando di1000 anniprima che raggiunga la sua destinazione. Buono per le missioni interplanetarie, non tanto per quelle interstellari.
Metodi teorici:
Utilizzando la tecnologia esistente, il tempo necessario per inviare scienziati e astronauti in una missione interstellare sarebbe proibitivo. Se vogliamo fare quel viaggio nell'arco di una singola vita, o anche di 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 nucleare a impulsi è una forma teoricamente possibile di viaggio spaziale veloce. Il concetto è stato originariamente proposto nel 1946 da Stanislaw Ulam, un matematico polacco-americano che ha partecipato al Progetto Manhattan, e calcoli preliminari sono stati poi fatti da F. Reines e Ulam nel 1947. Il progetto attuale, noto come Progetto Orione – è stato avviato nel 1958 ed è durato fino al 1963.
Guidato da Ted Taylor della General Atomics e dal 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 in cui il razzo può sparare continuamente).
In poche parole, il progetto Orion prevede un grande veicolo spaziale con un'elevata quantità di testate termonucleari che ottiene la propulsione rilasciando una bomba dietro di essa e quindi cavalcando l'onda di detonazione con l'aiuto di un pad montato posteriormente chiamato 'pusher'. Dopo ogni esplosione, la forza esplosiva sarebbe assorbita da questo pusher pad, che poi traduce la spinta in momento.
Sebbene poco elegante per gli standard moderni, il vantaggio del design è che raggiunge un alto impulso specifico, il che significa che estrae la massima quantità di energia dalla sua fonte di combustibile (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 cifra pari al 5% della velocità della luce (o 5,4 × 107km/h).
A questa velocità, una navicella spaziale Orion impiegherebbe circa 85 anni per trasportare un equipaggio di coloni a Proxima Centauri. Ovviamente, ciò non tiene conto del tempo necessario per far accelerare la navicella spaziale e poi decelerare prima dell'arrivo. Quindi, in realtà, sarebbe più simile a poco più di un secolo, il che è ancora piuttosto impressionante.
Concetto artistico della navicella spaziale Orion che lascia la Terra. Credito: bisbos.com/Adrian Mann
Ma, naturalmente, 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 , una navicella spaziale Orion che utilizzasse bombe all'idrogeno per generare propulsione peserebbe da 400.000 a 4.000.000 di tonnellate. E almeno tre quarti di quel peso sono costituiti da bombe nucleari, dove ogni testata pesa circa 1 tonnellata.
Tutto sommato, le stime più prudenti di Dyson collocano il costo totale della costruzione di un'imbarcazione Orion a 367 miliardi di dollari. Al netto dell'inflazione, si tratta di circa $ 2,5 trilioni di dollari, che rappresentano oltre i due terzi delle attuali entrate annuali del governo degli Stati Uniti. Quindi, anche nella sua forma più leggera, l'imbarcazione sarebbe estremamente costosa da produrre.
C'è anche il piccolo problema di tutte le radiazioni che genera, per non parlare delle scorie nucleari. È per questo, infatti, che si ritiene che il Progetto sia terminato, per il passaggio del Trattato di divieto parziale di prova del 1963 che ha cercato di limitare i test nucleari e fermare l'eccessivo rilascio di ricadute nucleari nell'atmosfera del pianeta.
Razzi a fusione:
Un'altra possibilità 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 utilizzando fasci di elettroni (simile a quanto avviene al Impianto di accensione nazionale in California). Questo reattore a fusione farebbe esplodere 250 pellet al secondo per creare plasma ad alta energia.
Concetto artistico della navicella spaziale Daedalus, un razzo a fusione a due stadi che raggiungerebbe fino al 12% della velocità della luce. Credito: Adrian Mann
Questo plasma verrebbe quindi diretto da un ugello magnetico per creare la spinta. Simile ai reattori nucleari, questo concetto offre vantaggi per quanto riguarda l'efficienza del combustibile e l'impulso specifico. Si stimano velocità di scarico fino a 10.600 km/s, ben oltre la 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, il Società Interplanetaria Britannica 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 effettuasse un viaggio verso la stella di Barnard (5,9 anni luce dalla Terra) in una sola vita.
Il primo stadio, il più grande dei due, funzionerebbe per 2,05 anni e accelererebbe il veicolo spaziale al 7,1% della velocità della luce (0,071C). Questo stadio verrebbe quindi gettato a mare, a quel punto il secondo stadio accenderebbe il motore e accelererebbe la navicella spaziale fino a circa il 12% della velocità della luce (0,12C) nel corso di 1,8 anni. Il motore del secondo stadio verrebbe quindi spento e la nave entrerebbe in un periodo di crociera di 46 anni.
Secondo le stime del Progetto, la missione impiegherebbe 50 anni per raggiungere la Barnard's Star. Adattato per Proxima Centauri, la stessa imbarcazione potrebbe fare il viaggio in36 anni. Ma, naturalmente, il progetto ha anche identificato numerosi ostacoli che lo hanno reso irrealizzabile utilizzando la tecnologia allora attuale, la maggior parte dei quali sono ancora irrisolti.
Concetto artistico della navicella spaziale Project Daedalus, con un razzo Saturn V in piedi accanto ad essa per la scala. Credito: Adrian Mann
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 il “ obiettivo di pareggio , siamo ancora molto lontani dai tipi di energia necessari per alimentare un'astronave interstellare.
Terzo, c'è il fattore costo per la costruzione di una nave del genere. Anche per il modesto standard dell'imbarcazione senza pilota del Progetto Daedalus, un'imbarcazione completamente alimentata peserebbe fino a 60.000 Mt e costerebbe circa $ 5.986 miliardi. In breve, un razzo a fusione non solo sarebbe proibitivo da costruire; richiederebbe anche un livello di tecnologia dei reattori a fusione che è attualmente al di là delle nostre possibilità.
Icarus Interstellar, un'organizzazione internazionale di scienziati cittadini volontari (alcuni dei quali lavoravano per la NASA o l'ESA) da allora ha tentato di rivitalizzare il concetto con Progetto Icaro . Fondato nel 2009, il gruppo spera di rendere fattibile la propulsione a fusione (tra le altre cose) nel prossimo futuro.
Fusione a getto d'aria:
Conosciuto anche come Bussard Ramjet , questa forma teorica di propulsione è stata proposta per la prima volta dal fisico Robert W. Bussard nel 1960. Fondamentalmente, si tratta di un miglioramento rispetto al razzo a fusione nucleare standard, che utilizza i campi magnetici per comprimere l'idrogeno fino al punto in cui avviene la fusione. Ma nel caso del Ramjet, un enorme imbuto elettromagnetico 'raccoglie' l'idrogeno dal mezzo interstellare e lo scarica nel reattore come combustibile.
Il concetto artistico del Bussard Ramjet, che sfrutterebbe l'idrogeno dal mezzo interstellare per alimentare i suoi motori a fusione. Credito: futurespacetransportation.weebly.com
Man mano che la nave prende velocità, la massa reattiva viene forzata in un campo magnetico progressivamente ristretto, comprimendola fino a quando non 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 appesantiscano, un autoreattore a fusione potrebbe raggiungere velocità prossime al 4% della velocità della luce e viaggiare ovunque nella galassia.
Tuttavia, i potenziali inconvenienti 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 poiché si scontra con un numero sempre maggiore di idrogeno interstellare, potrebbe 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 normale (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 franchise diStar Trek, dove ' Collezionisti Bussard ” sono le gondole luminose sui motori a curvatura. Ma in realtà, la nostra conoscenza delle reazioni di fusione deve progredire considerevolmente prima che sia possibile un ramjet. Dovremmo anche capire quel fastidioso problema di trascinamento prima di iniziare a considerare la costruzione di una nave del genere!
Vela laser:
Le vele solari sono state a lungo considerate un modo conveniente 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 utilizzare razzi che richiedono propellente, la vela utilizza la pressione delle radiazioni delle stelle per spingere grandi specchi ultrasottili ad alte velocità.
Sonda spaziale IKAROS con una vela solare in volo (rappresentazione dell'artista) che mostra una tipica configurazione a vela quadrata. Credito: Wikimedia Commons/Andrzej Mirecki
Tuttavia, per il bene del volo interstellare, una tale vela dovrebbe essere guidata da fasci di energia focalizzati (cioè laser o microonde) per spingerla a una velocità che si avvicina alla velocità della luce. Il concetto è stato originariamente proposto da Robert Forward nel 1984 , che all'epoca era un fisico presso i laboratori di ricerca della 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 laser non si dissipa con la distanza quasi quanto la radiazione solare. Quindi, mentre una vela azionata dal laser impiegherebbe del tempo per accelerare a velocità quasi luminose, sarebbe limitata solo alla velocità della luce stessa.
Secondo a studio del 2000 prodotta da Robert Frisbee, direttore degli studi sui concetti di propulsione avanzata presso la NASA JPL, una vela laser potrebbe essere accelerata a metà della velocità della luce in meno di un decennio. Calcolò anche che una vela di circa 320 km (200 miglia) di diametro potesse raggiungere Proxima Centauri in poco più di12 anni. Nel frattempo, una vela di circa 965 km (600 miglia) di diametro arriverebbe in poco meno di9 anni.
Tuttavia, una tale vela dovrebbe essere costruita con compositi avanzati per evitare la fusione. In combinazione con le sue dimensioni, questo aggiungerebbe un bel centesimo! Ancora peggio è la pura spesa sostenuta dalla costruzione di un laser abbastanza grande e potente da guidare una vela alla metà della velocità della luce. Secondo lo studio di Frisbee, i laser richiederebbero un flusso costante di 17.000 terawatt di potenza, vicino a quello che il mondo intero consuma in un solo giorno.
Concetto artistico di un veicolo spaziale alimentato ad antimateria per missioni su Marte, come parte della Mars Reference Mission. Credito: NASA
Motore ad antimateria:
I fan della fantascienza avranno sicuramente sentito parlare di antimateria. Ma in caso contrario, l'antimateria è essenzialmente un materiale composto da antiparticelle, che hanno la stessa massa ma carica opposta rispetto alle particelle regolari. Un motore ad antimateria, nel frattempo, è una forma di propulsione che utilizza le interazioni tra materia e antimateria per generare potenza o creare spinta.
In breve, un motore ad antimateria coinvolge particelle di idrogeno e antiidrogeno che vengono sbattute insieme. Questa reazione sprigiona energia quanto 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 poi incanalate da un ugello magnetico per generare una spinta.
Il vantaggio di questa classe di razzi è che una grande frazione della massa a riposo di una miscela di materia/antimateria può essere convertita in energia, consentendo ai razzi ad antimateria di avere una densità di energia e un impulso specifico molto più elevati rispetto a qualsiasi altra classe di razzi proposta. Inoltre, controllare questo tipo di reazione potrebbe plausibilmente spingere un razzo fino alla metà della velocità della luce.
Libbra per libbra, questa classe di navi sarebbe la più veloce e la più efficiente in termini di consumo di carburante mai concepita. Mentre i razzi convenzionali richiedono tonnellate di carburante chimico per spingere un'astronave verso la sua destinazione, un motore ad antimateria potrebbe fare lo stesso lavoro con pochi milligrammi di carburante. In effetti, l'annientamento reciproco di mezzo chilo di particelle di idrogeno e antiidrogeno libererebbe più energia di una bomba all'idrogeno da 10 megatoni.
Ciò che la materia e l'antimateria potrebbero sembrare annichilirsi a vicenda. Credito: NASA/CXC/M. Weiss
È proprio per questo motivo che Istituto per i concetti avanzati della NASA (NIAC) ha studiato la tecnologia come possibile mezzo per future missioni su Marte. Sfortunatamente, quando si contemplano missioni nei sistemi stellari vicini, la quantità di carburante necessaria per effettuare il viaggio viene moltiplicata in modo esponenziale e il costo coinvolto nella produzione sarebbe astronomico (nessun gioco di parole!).
Secondo un rapporto preparato per il 39a Conferenza e mostra congiunta sulla propulsione AIAA/ASME/SAE/ASEE (sempre di Robert Frisbee), un razzo ad antimateria a due stadi avrebbe bisogno di oltre 815.000 tonnellate (900.000 tonnellate statunitensi) di carburante per raggiungere Proxima Centauri in circa40 anni. Non è male, per quanto riguarda le tempistiche. Ma ripeto, il costo...
Considerando che un singolo grammo di antimateria produrrebbe un'energia tremenda, si stima che produrre solo questa quantità richiederebbe circa 25 trilioni di kilowattora di energia e costano oltre un trilione di dollari . Attualmente, gli esseri umani hanno creato meno di 20 nanogrammi di antimateria. Anche se potessimo produrre in serie l'antimateria a basso costo, sarebbe comunque necessaria una nave enorme per contenere la quantità necessaria di carburante.
Secondo un rapporto di Dr. Darrel Smith e Jonathan Webby della Embry-Riddle Aeronautical University in Arizona, un velivolo interstellare dotato di un motore ad antimateria potrebbe raggiungere 0,5 della velocità della luce e raggiungere Proxima Centauri in poco più di8 anni. Tuttavia, la nave stessa peserebbe 400 tonnellate (441 tonnellate USA) e avrebbe bisogno di 170 tonnellate (187 tonnellate USA) di carburante antimateria per compiere il viaggio.
Il concetto artistico del Vacuum to Antimatter Rocket Interstellar Explorer System (VARIES), un concetto che utilizzerebbe array solari per alimentare laser che creano particelle di antimateria da utilizzare come combustibile. Credito: Adrian Mann
Un possibile modo per aggirare questo problema è creare una nave in grado di creare antimateria che potrebbe quindi immagazzinare come combustibile. Questo concetto, noto come Sistema di esplorazione interstellare da vuoto a razzo antimateria (VARIAZIONI) , è stato proposto da Richard Obousy di Icarus Interstellar. Basandosi sull'idea del rifornimento in loco, una nave VARIES si baserebbe su grandi laser (alimentati da enormi pannelli solari) che creerebbero particelle di antimateria quando sparati nello spazio vuoto.
Proprio come il concetto Ramjet, questa proposta risolve il problema del trasporto di carburante sfruttandolo dallo spazio. Ma ancora una volta, il costo totale di una nave del genere sarebbe proibitivo utilizzando 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, richiedendo una significativa schermatura dalle radiazioni, ma richiede che anche i motori siano schermati per garantire che non subiscano il degrado atomico da tutte le radiazioni a cui sono esposti. Quindi, in conclusione, il motore dell'antimateria è completamente impraticabile con la nostra tecnologia attuale e nell'attuale ambiente di budget.
Alcubierre Warp Drive:
Anche i fan della fantascienza hanno senza dubbio familiarità con il concetto di an 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 ristretta di Einstein . In breve, il concetto implica l'allungamento del tessuto dello spazio-tempo in un'onda, che teoricamente farebbe contrarre lo spazio davanti a un oggetto e lo spazio dietro di esso si espanderebbe.
L'idea dell'artista Mark Rademaker per l'IXS Enterprise, un'astronave interstellare teorica a curvatura. Credito: Mark Rademaker/flickr.com
Un oggetto all'interno di questa onda (cioè un'astronave) sarebbe quindi in grado di cavalcare questa onda, nota come 'bolla di curvatura', oltre le velocità relativistiche. Poiché la nave non si muove all'interno di questa bolla ma viene trasportata mentre si muove, le regole dello spazio-tempo e della relatività cesserebbero di essere applicate. Il motivo è che questo metodo non si basa sul movimento 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. Quindi, supponendo che una navicella spaziale possa essere equipaggiata con un sistema Alcubierre Drive, sarebbe in grado di fare il viaggio a Proxima Centauri inmeno 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, il concetto ha ricevuto la sua parte di contro-argomentazioni nel corso degli anni. Il principale tra questi è il fatto che non tiene conto della meccanica quantistica e potrebbe essere invalidato da a Teoria del Tutto (come gravità quantistica ad anello ). I calcoli sulla quantità di energia richiesta hanno anche indicato che un motore a curvatura richiederebbe una quantità proibitiva di energia per funzionare. Altre incertezze includono la sicurezza di un tale sistema, gli effetti sullo spazio-tempo a destinazione e le violazioni della causalità.
Tuttavia, nel 2012, lo scienziato della NASA Harold Sonny White ha annunciato che lui e i suoi colleghi avevano iniziato a ricercare la possibilità di un Alcubierre Drive. In un documento intitolato ' Meccanica del campo di curvatura 101 “, White ha affermato di aver costruito un interferometro che rileverà le distorsioni spaziali prodotte dallo spaziotempo in espansione e contrazione della metrica di Alcubierre.
Nel 2013, il Jet Propulsion Laboratory ha pubblicato i risultati di un test sul campo di curvatura condotto in condizioni di vuoto. Sfortunatamente, i risultati sono stati riportati come 'inconcludenti'. A lungo termine, potremmo scoprire che la metrica di Alcubierre può violare una o più leggi fondamentali della natura. E anche se la fisica dovesse rivelarsi valida, non vi è alcuna garanzia che possa essere sfruttata per il bene del volo FTL.
In conclusione, se speravi di viaggiare verso la stella più vicina entro la tua vita, le prospettive non sono molto buone. Tuttavia, se l'umanità sentisse l'incentivo a costruire un''arca interstellare' piena di una comunità autosufficiente di umani che viaggiano nello spazio, potrebbe essere possibile viaggiare lì in poco meno di un secolo se fossimo disposti a investire nella tecnologia richiesta .
Ma tutti i metodi disponibili sono ancora molto limitati quando si tratta di tempi di transito. E anche se impiegare centinaia o migliaia di anni per raggiungere la stella più vicina potrebbe importare meno per noi se fosse in gioco la nostra stessa sopravvivenza, semplicemente non è pratico per quanto riguarda l'esplorazione dello spazio e il viaggio. Nel momento in cui una missione raggiungesse anche le stelle più vicine della nostra galassia, la tecnologia impiegata sarebbe obsoleta e l'umanità potrebbe anche non esistere più a casa.
Quindi, a meno che non facciamo un grande passo avanti nei regni della fusione, dell'antimateria o della tecnologia laser, dovremo accontentarci di esplorare il nostro Sistema Solare o essere costretti ad accettare una strategia di transito a lungo termine...
Abbiamo scritto molti articoli interessanti sui viaggi nello spazio qui su Universe Today. ecco Raggiungeremo mai un'altra stella? , I warp drive possono avere un aspetto negativo incredibile , Il Warp Drive di Alcubierre , Quanto è lontano un anno luce? , Quando la luce non è abbastanza veloce , Quando diventeremo interstellari? , e Possiamo viaggiare più veloci della velocità della luce?
Per ulteriori informazioni, assicurati di consultare le pagine della NASA su Sistemi di propulsione del futuro , e Il Warp Drive è reale?
E i fan dei viaggi interstellari dovrebbero assolutamente dare un'occhiata Icaro Interstellare e il Fondazione Numero Zero siti web. Continua a raggiungere quelle stelle!