Un passo più vicino al viaggio interstellare. Un test di microgravità riuscito di una vela leggera al grafene
Se vogliamo viaggiare verso le stelle, dovremo essere creativi. I razzi convenzionali non sono abbastanza potenti da permetterci di viaggiare attraverso anni luce in un tempo ragionevole. Anche i razzi nucleari potrebbero non essere sufficienti. Quindi cosa deve fare l'umanità? La risposta potrebbe essere una vela leggera.
Grafico dell'equazione del razzo di Tsiolkovsky per i rapporti di massa. Credito: utente di Wikipedia Krishnavedala
La sfida di ogni viaggio nello spazio si riduce a delta-v. Cioè, quanto puoi cambiare la tua velocità rispetto alla velocità della Terra. Per ottenere delta-v, devi avere una sorta di spinta. I razzi sono un ottimo modo per ottenere delta-v, ma hanno un grande svantaggio. Il carburante per missili deve essere portato con te, e ciò significa che più veloce vuoi andare, più carburante hai bisogno di trasportare. In altre parole, maggiore è il delta-v, maggiore è il rapporto tra massa e carico utile.
Puoi ridurre questo rapporto con un razzo efficiente e ci sono trucchi come le manovre di sorvolo usate da molte delle nostre sonde spaziali. Ma niente di tutto questo ti porterà a una frazione della velocità della luce, e questo è il tipo di velocità di cui avrebbe bisogno un'astronave interstellare. Quindi, se il problema è la tua necessità di trasportare carburante, perché non eliminare del tutto la necessità di carburante?
Una bella vista! In questa immagine, la vela solare di LightSail 2 è quasi completamente spiegata il 23 luglio. L'obiettivo della fotocamera fish-eye fa apparire la vela deformata. Credito immagine: la società planetaria
È qui che entrano in gioco le vele leggere. Invece di creare spinta lanciando gas caldo dall'ugello di un razzo, le vele leggere riflettono la luce del sole o la luce di un potente laser. I fotoni di luce non hanno massa, ma hanno quantità di moto. Quando i fotoni colpiscono una superficie, danno a quella superficie una piccola spinta. Succede continuamente sulla Terra, ma non ce ne accorgiamo mai perché la spinta è straordinariamente piccola.
Sappiamo che l'idea può funzionare. Nel 2015, e di nuovo nel 2019, la Planetary Society varate vele leggere di prova come prova del concetto. Hanno dimostrato che la luce solare potrebbe essere utilizzata per aumentare l'orbita di un piccolo satellite. Ma c'è ancora molta strada da fare prima che le vele leggere diventino pratiche.
Per ottenere una spinta seria dalla luce, la tua vela leggera dovrà essere enorme. Nell'ordine dei chilometri di diametro, anche per una piccola navicella. Con materiale come il mylar riflettente, la vela avrebbe così tanta massa che la maggior parte della spinta ottenuta sarebbe sprecata sulla vela stessa. Ciò di cui abbiamo bisogno è un materiale estremamente leggero che sia ancora abbastanza resistente per svolgere il lavoro.
Una vela leggera di 3 mm di larghezza in grafene. Credito: r. Santiago Jose Cartamil-Bueno
Recentemente il team ha esaminato uno dei materiali più leggeri che potessimo usare: il grafene. Il grafene è un foglio di atomi di carbonio in un motivo a mattonelle esagonali. È incredibilmente forte e potrebbe formare una vela leggera spessa solo un atomo. Al momento, possiamo produrre solo piccoli fogli di grafene, quindi il team ha costruito una vela leggera in miniatura di soli 3 mm di diametro e con una massa inferiore a 250 microgrammi. Il team ha quindi posizionato la loro piccola vela in una camera a microgravità e l'ha illuminata con laser con una potenza compresa tra 0,1 W e 1 W. La vela ha guadagnato un'accelerazione dieci volte maggiore di quella che avrebbe potuto ottenere semplicemente irradiando calore.
La vela leggera ha funzionato. Lo studio è una buona dimostrazione che una vela di grafene può catturare la spinta della luce. La prossima e più grande sfida è aumentare le dimensioni di una vela di grafene. Sono stati realizzati fogli di grafene più grandi, ma niente in scala di un chilometro. Il viaggio interstellare è ancora molto lontano, ma ora sappiamo che potrebbe esserci luce alla fine del tunnel.
Riferimento:Gaudenzi, Rocco, Davide Stefani, and Santiago Jose Cartamil-Bueno. ' Propulsione indotta dalla luce di vele in grafene su griglia in condizioni di microgravità . 'Legge sull'astronautica(2020).