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La guida di Motherboard ai viaggi nello spazio

Non vedete l'ora di visitare sistemi solari come TRAPPIST-1? Ecco cosa dovete sapere.

di Federico Branchetti
10 aprile 2017, 9:28am

Raymond Palmer al lavoro su un prototipo di motore al plasma al Lewis Research Centre, NASA, 1964.

Quando si tratta di stupirci, la natura non si risparmia di certo e ogni notte stellata ci regala un posto in prima fila per ammirare l'immensità dell'universo. Noi esseri umani, però, siamo diventati particolarmente cinici e, in tutta risposta, restiamo concentrati sul nostro aperitivo senza degnarla di mezzo sguardo.

La speranza per il nostro agonizzante immaginario, preso a coltellate dalla quotidianità, sembra essere riposta nelle notizie più eclatanti provenienti dal mondo della scienza.

L'esempio più recente di questo sensazionalismo mediatico è stata la scoperta del sistema planetario attorno a TRAPPIST-1: è bastato infatti pronunciare le fatidiche parole "circostanze apparentemente favorevoli alla vita" per scatenare il putiferio. Nel giro di 5 minuti, attraverso la classica distorsione stile telefono senza filo, tutti hanno iniziato a parlare di alieni e viaggi interplanetari.

Interpretazione artistica dell'esopianeta Trappist-1f, che si trova nel sistema TRAPPIST-1. Tutte le immagini via NASA.

A questo punto è legittimo chiedere: quando e come andremo a colonizzare davvero nuovi mondi?

TRAPPIST-1 è una stella relativamente vicina al sistema solare, paragonata al resto dei corpi celesti che conosciamo, ma la vera fregatura è l'immensità stessa dell'universo: i 39.5 anni luce che ci separano dalla meta, se messi in relazione alla nostra tecnologia, corrispondono in realtà a una distanza enorme.

LA TECNOLOGIA
La rocket science non è uno scherzo. È una materia complicatissima, tanto da essere diventata un vero e proprio sinonimo di "concetto difficile da comprendere." I primi problemi da affrontare riguardano dunque l'energia necessaria per poter lasciare il nostro pianeta e la tecnologia in grado di produrla.

Razzo Saturn V, utilizzato nelle Missioni Apollo. Fino alla decima sono state missioni di test, mentre l'allunaggio rimasto nella storia è noto anche come missione Apollo 11.

Come teorizzato dal buon vecchio Newton, qualsiasi corpo dotato di massa esercita una forza attrattiva proporzionale ad essa, chiamata volgarmente gravità. La trazione gravitazionale tende a richiamare un corpo alla sua superficie; per vincerla, sarà necessario somministrargli una determinata quantità di energia. Da qui deriva il concetto di velocità di fuga, ovvero il valore per cui l'energia cinetica di un oggetto sia superiore a quella potenziale gravitazionale. Immaginate di dover saltare con la macchina uno di quei ponti che si aprono per far passare le navi: raggiungendo una velocità sufficiente riusciamo a saltare, in caso contrario finiamo in acqua.

Per lasciare un pianeta occorre quindi essere molto veloci: sulla Terra questo valore corrisponde a oltre 40.000 km/h.

Bisogna poi riflettere sui "metodi" con cui effettuare questo tipo di volo. Man mano che ci allontaniamo dalla Terra, l'atmosfera diventa sempre meno densa: questo riduce l'attrito, ma rende impossibile utilizzare ali o palloni aerostatici, che basano il proprio funzionamento sulle differenti densità e pressioni dell'aria.

Pensate ai sistemi propulsivi spaziali come se fossero il cambio della vostra automobile

È per questo motivo che, per andare nello spazio, utilizziamo motori a razzo: essi generano energia sfruttando la combustione di propellente chimico, bruciato ad altissima pressione e scaricato ad un'enorme velocità. Il concetto di base è il terzo principio della dinamica di Newton, quello di "azione-reazione": se il corpo B imprime una forza ad un corpo A, quest'ultimo gli restituirà una forza uguale e di verso opposto. Allo stesso modo, il motore imprime al gas di scarico una spinta verso il basso, mentre quest'ultimo reagirà somministrando la stessa identica forza al razzo nella direzione opposta.

A questo punto, perchè non sparare un razzo su TRAPPIST-1? Il motivo è che, utilizzando un grosso razzo come il Saturn V — usato dalla NASA nel programma Apollo durante gli anni Sessanta e Settanta —, impiegheremo oltre un milione di anni per arrivare a destinazione.

Per quanto un razzo possa indubbiamente generare una gigantesca quantità di energia, restano due problemi da risolvere: l'efficienza e il rapporto spinta/peso.

Uno dei Main Engine dello Space Shuttle, qui fotografato in fase di test. Si tratta di un propulsore chimico a idrogeno liquido ed ossigeno liquido.

Pensate ai sistemi propulsivi spaziali come se fossero il cambio della vostra automobile: il razzo e i suoi 2-3 stadi sono la prima e la seconda marcia, validi per accelerare bruscamente e portarci all'esterno dell'atmosfera.

La generazione di spinta è assolutamente mostruosa, ma allo stesso modo lo sono i suoi consumi e la zavorra che comportano. Il motore a razzo brucia un combustibile (generalmente idrogeno liquido, ma è stato utilizzato anche cherosene o metano) miscelato ad un ossidante (ossigeno liquido).

Questi liquidi devono essere mantenuti tali ad alta pressione e bassa temperatura, necessitando di costosi e pesanti serbatoi dedicati. Inoltre, una volta eliminato il problema del richiamo gravitazionale, la spinta irruenta e fulminea di un razzo non è più necessaria.

Cosa possiamo sfruttare per ottenere una marcia più "lunga", all'interno del nostro ipotetico cambio spaziale? Ci sono diverse alternative, sia in fase di studio, sia operative e testate.
I motori ionici, per esempio, sfruttano fenomeni elettromagnetici per generare spinta, utilizzando gas come propellente. Il funzionamento è basato sul bombardamento del gas attraverso un fascio di elettroni, che lo ionizzano; attraverso una griglia caricata elettricamente, poi, questi ioni vengono accelerati ed espulsi, generando spinta (sempre attraverso il terzo principio della dinamica).

Un secondo esempio è il VASIMR, concettualmente piuttosto simile, ma basato su di un gas neutro — poi trasformato in plasma — attraverso onde radio.

Il volo STS1 dello Space Shuttle Columbia, nel 1981. Si tratta del primo Shuttle della storia. Il Columbia è poi esploso nel 2003, durante un rientro in atmosfera.

Queste soluzioni hanno sia pregi che difetti: la spinta fornita infatti è molto lieve, assolutamente inadatta per decolli all'interno dell'atmosfera. Il vero punto di forza è invece l'efficienza: basso peso del carburante, ingombri minimi, alimentazione dei campi elettromagnetici tramite energia solare. Una piccola accelerazione mantenuta costante per giorni o addirittura mesi, inoltre, può tradursi in velocità di crociera davvero interessanti.

Ipotizzando una configurazione per viaggi a lungo termine, dunque, sarebbe preferibile un primo stadio a propellente chimico (per abbandonare il pianeta), unito ad un secondo stadio espressamente progettato per il viaggio "interstellare". Una soluzione migliore sarebbe poi assemblare l'intera nave in orbita, costruendola interamente per lo scopo finale—un po' come è stato fatto con la International Space Station.

A CHE PUNTO SIAMO
Appurato che con i vari Space Shuttle, Saturn V (e persino i nuovi Falcon Heavy ed SLS) impiegheremmo circa un milione di anni per raggiungere TRAPPIST-1, dobbiamo assolutamente trovare il modo per premere sull'acceleratore.

L'abitacolo della capsula Dragon V2 di SpaceX, che dovrebbe portare equipaggi su Marte. SpaceX rappresenta uno dei giocatori principali nella partita dei viaggi spaziali finanziati da aziende private.

Tentiamo di fare delle stime tenendo conto di tutto il nostro potenziale tecnologico —, prototipi di motore al plasma compresi —, portandoci in circostanze spudoratamente favorevoli; partiamo con l'esempio di un viaggio verso Marte, la prima vera e concreta idea di colonizzazione planetaria che possiamo considerare.

Attraverso l'utilizzo di un razzo chimico come l'Atlas V, per spedire una sonda sul pianeta rosso occorrono quasi 9 mesi di viaggio. Ad Astra, la società che gestisce lo sviluppo del propulsore al plasma VASIMR, afferma di poter compiere lo stesso viaggio in 39 giorni. (Il calcolo è speculativo, il motore utilizzato per la stima è infatti lungi dall'essere pronto).

L'utilizzo di un motore al plasma, dunque, sarebbe in grado di ridurre il tempo di percorrenza a circa 1/15 del razzo chimico.

Nonostante le premesse promettenti, tocca tornare subito con i piedi per terra. ( ;) )

Costruzione del telescopio spaziale James Webb, che andrà a rimpiazzare l'Hubble e sarà in grado di analizzare l'atmosfera di TRAPPIST-1 (tra le altre cose).

Trattandosi di un viaggio molto "breve" rispetto a quello verso il sistema TRAPPIST, una porzione significativa del percorso sarebbe speso accelerando o decelerando.

Ipotizziamo ora di portare il tempo di percorrenza a 1/50 del valore del razzo tradizionale, contando su maggior tempo speso a tutta velocità e motori ancora più prestanti; nonostante queste condizioni ipotetiche volutamente vantaggiose e per quanto siano stati notevolmente accorciate le tempistiche di viaggio, per raggiungere la stella e i suoi 7 pianeti occorrerebbero comunque decine di migliaia di anni di viaggio.

Morale della favola: anche includendo la punta di diamante della rocket science di cui disponiamo, facciamo comunque morire dal ridere.

Che si fa ora? I casi fondamentalmente sono due: o etichettiamo l'impresa come impossibile, o continuiamo ad aumentare la velocità.

SPINGERSI AL LIMITE
Esiste un limite fisico alla velocità, imposto dalla fisica relativistica: la velocità c (quasi 300.000 km/s), ovvero la velocità di propagazione di un fotone nel vuoto. La teoria della relatività, dimostrata da Einstein e fino ad ora inconfutata (anche se non mancano i tentativi in questo senso), afferma che è fisicamente impossibile superare la velocità della luce. 

Il motivo? Analizzando la formula completa della quantità di moto relativistica ci accorgiamo che, per avere una velocità pari a c, occorrerebbe energia infinita.

Tralasciando il divario tecnologico presente tra i nostri mezzi attuali ed una velocità solo paragonabile a quella luminare, immaginiamo di poter viaggiare veloci quasi come la luce.
Alla velocità c, impiegheremo quasi 40 anni per raggiungere TRAPPIST. Si tratterebbe di un lasso temporale davvero enorme per un viaggio, ma almeno sarebbe ancora sensato in relazione alla durata di una vita media umana.

Procedendo alla velocità c, inoltre, lo scorrere del tempo subirebbe una gigantesca distorsione all'interno della navicella, un effetto della relatività all'interno di sistemi di riferimento non inerziali.

L'ultima speranza risiede nella nostra ignoranza: è assolutamente plausibile che, all'interno dell'universo, esistano leggi fisiche e meccanismi a noi sconosciuti.

In parole povere? Sulla Terra passerebbero circa 40 anni, mentre per gli astronauti all'interno si tratterebbe di giorni o mesi, a seconda della velocità di crociera. Pur essendo sostenibile per l'equipaggio, inoltre, sarebbe comunque un viaggio della speranza; le informazioni e i dati trasmessi alla Terra avrebbero una latenza di quasi un secolo.

L'ultima speranza risiede nella nostra ignoranza: è assolutamente plausibile che, all'interno dell'universo, esistano leggi fisiche e meccanismi a noi sconosciuti.

Un primo indizio (molto interessante) è il modo in cui la gravità riesce a curvare il tessuto spazio tempo; l'universo si rivela essere non una sorta di green screen, quanto piuttosto un'entità modellabile e dinamica. Il secondo indizio fondamentale è legato ai buchi neri, in particolare alla loro capacità di deformare questo tessuto a tal punto da romperlo. Se davvero è possibile modellare l'universo, fino a bucare la sua superficie, non è azzardato ipotizzare di poter scavare delle sorta di "tunnel" al suo interno. Questo non è altro che il concetto di Wormhole, il cui nome rimanda direttamente ai tunnel scavati dai vermi sotto la superficie. Una scorciatoia all'interno dell'universo.

Uno scienziato che spiega a un altro scienziato come funziona un wormhole, nel film Interstellar (Nolan, 2014).

Cosa c'è al di là di un buco nero? Esiste un'uscita, in corrispondenza di questo gigantesca voragine gravitazionale? Purtroppo non abbiamo (al momento) mezzi per rispondere al quesito. Gli unici dati teorici che escono dalle simulazioni, piuttosto, lasciano intendere che non si tratterebbe di un viaggio di piacere.

Forse in futuro saremo in grado di affrontare questa sfida, ma saranno necessari notevoli progressi sia in ambito scientifico che ingegneristico: allo stato attuale della tecnologia, far uscire l'uomo dal sistema solare è assolutamente una barzelletta; anche spingendoci al limite della velocità relativistica — traguardo tra l'altro lontanissimo allo stato attuale — sarebbe comunque un viaggio complicatissimo.

L'unica speranza di vedere l'umanità colonizzare esopianeti, insomma, sembra confinata all'interno di fisiche piuttosto distanti; almeno finché la NASA non realizzerà il primo prototipo funzionante di motore a curvatura o a iperguida, questa fantasia resterà confinato negli universi di Star Trek o Star Wars.

Non lasciatevi però demoralizzare da questi risultati: qualsiasi esplorazione pionieristica è sempre costituita da lunghe fasi, sia di studio che di miglioramento: abbiamo appena scoperto il sistema planetario completo attorno a TRAPPIST-1, ma già tra un paio d'anni potremo beneficiare dell'eccellente occhio del telescopio James Webb, per ricavare nuovi dati interessanti riguardanti la potenziale presenza di forme di vita.

In ogni caso, ci siamo accorti dell'esistenza dell'universo giusto un mese fa, scorrendo la home di Facebook; già pretendiamo di essere l'Han Solo della situazione, svolazzando per sistemi distanti sul Millennium Falcon?

Se la scienza è riuscita a far breccia nel nostro immaginario, si tratta già di una grande vittoria: non avremo aperto il nostro "universo" a mondi alieni, ma almeno siamo andati oltre al Moscow Mule del venerdì sera.

Tutte le foto, NASA.