Vela interstellare: Matthew Campbell, ingegnere meccanico, risponde alle nostre domande

Abbiamo incontrato Matthew Campbell, ingegnere meccanico, ricercatore post-dottorato del Dipartimento di Ingegneria meccanica e di Meccanica Applicata del “Bargatin Group” dell’Università della Pennsylvania (Stati Uniti).

L’obiettivo del “Bargatin Group” è creare una vela che non si strappi e non si sciolga durante il viaggio interstellare. Attualmente vi sono due differenti vele: la vela solare, spinta dalla luce del Sole; e la vela spinta da potenti fasci laser. Una sonda spaziale a vela solare è spinta dai raggi solari carichi di fotoni i quali, “urtando” contro il tessuto della vela, la spingono in avanti (proprio come accade alle barche a vela, che sono spinte dal vento). Invece, le vele spinte da potenti fasci laser devono possedere un tessuto differente, proprio per resistere all’enorme potenza laser.

I fasci laser riescono a fornire, alla piccola sonda spaziale a vela, una spinta spaventosa e capace di ridurre notevolmente il viaggio interstellare. Il grande sogno è inviare una sonda spaziale a vela, delle dimensioni di un microchip, spinta da potenti fasci laser, fino ad Alpha Centauri, nonché la Stella più vicina a noi, distante solo 4 anni luce dalla Terra. Con la tecnologia tradizionale ci vorrebbero ben 80.000 anni di viaggio per raggiungerla ma, con la vela spinta dai fasci laser, il viaggio si ridurrebbe a soli 20 anni.

Per creare una tecnologia del futuro state guardando al passato, riprendendo la famosa vela. Questa volta anziché essere spinta dal vento, sarà spinta dalla luce. La luce proverrà da una serie di laser posizionati sulla superficie della Terra?

Sì, l’idea è di avere una vasta gamma di laser sulla Terra. I laser potrebbero essere disposti in uno schema quadrato, e la lunghezza laterale del quadrato sarebbe di diversi chilometri, quindi immaginalo come migliaia di singoli laser collegati tra loro. La potenza richiesta sarebbe di circa 100 gigawatt, che è circa cinque volte la potenza della Diga delle Tre Gole in Cina. Fortunatamente, questi laser non avrebbero bisogno di essere accesi per molto tempo: solo 10-30 minuti per lancio di chip/vela (in pratica, i laser montati sulla Terra, punteranno tutti verso la vela della sonda, per “spingerla” nello Spazio profondo), e potrebbe essere necessario accendere solo alcuni dei laser in un dato momento. Questi laser sarebbero probabilmente alimentati da grandi banchi di condensatori o batterie, le quali verrebbero caricate lentamente tramite dei pannelli solari, nel corso di giorni o settimane.

Quando la navicella spaziale si sarà allontanata di milioni o di miliardi di chilometri da noi, continuerà ad essere spinta dai laser montati sulla Terra?

I laser vengono utilizzati solo per accelerare i chip/vele ad alte velocità; una volta che un chip/vela raggiunge la sua velocità target (circa un quinto della velocità della luce, la quale è di 300.000 km al secondo), non ha più bisogno di luce per essere accelerato ulteriormente. Il termine “lunghezza di accelerazione” è usato per denotare la distanza che un chip/vela percorre prima che raggiunga quella velocità target. Le lunghezze di accelerazione tipiche sono dell’ordine di 10 milioni di chilometri. Quindi, la risposta è no: una volta che il chip si trova a circa 10 milioni di chilometri dalla Terra, la luce laser non è più necessaria. In realtà, un fatto divertente è che i laser possono essere spenti prima che il chip/vela raggiunga la velocità target, perché i fotoni finali rilasciati dal laser impiegano diversi minuti per raggiungere la vela in movimento e spingerla alla sua velocità finale.

Qual è la differenza tra la vostra vela, spinta con i laser, e la vela delle agenzie spaziali, spinta dai raggi solari? Il tessuto della vela deve essere differente?

Ci sono diverse differenze degne di nota tra le vele solari (alimentate dal sole) e le vele leggere (alimentate dai fotoni laser). Le vele solari hanno generalmente aree molto grandi (100 metri quadrati) per catturare più fotoni solari, mentre le vele leggere devono avere aree piccole (meno di 10 metri quadrati) per essere accelerate rapidamente. Le vele solari hanno densità areali più elevate (circa 10 grammi per metro quadrato), rispetto alle vele leggere (circa 0,1 grammi per metro quadrato). Le vele solari sono generalmente progettate per viaggiare a bassa velocità (meno dello 0,1% della velocità della luce), mentre le vele leggere mirano a viaggiare molto velocemente (20% o più della velocità della luce). Molti dei modelli di vele solari esistenti sono planari (piatti) e sono supportati da un telaio, mentre il design che proponiamo è curvo, proprio come un tradizionale paracadute gonfiato a gas. Inoltre, le vele solari sono progettate per riflettere l’intero spettro solare (molte lunghezze d’onda dei fotoni), mentre le vele leggere per i laser sono progettate per una gamma molto più ristretta di fotoni (solo le lunghezze d’onda dei fotoni del laser, ovviamente compensate dal fatto che le lunghezze d’onda dei fotoni in arrivo, sono lunghe quanto più veloce si muove la vela). Queste differenze, così come altre che non ho menzionato qui, motivano le differenze sostanziali nel tessuto delle vele: le vele solari e le vele leggere per i laser. Per citarne alcuni: rispetto alle pellicole per vele solari, le pellicole per vele leggere devono essere più riflettenti, assorbire meno luce (alla lunghezza d’onda del laser), emettere più luce (a tutte le lunghezze d’onda, tranne quelle vicine al laser), tollerare uno stress/deformazione maggiore, essere più leggere, ecc…

Questa tecnologia permetterà ad una navicella spaziale, di raggiungere Alpha Centauri (la stella più vicina a noi, situata a soli 4 anni luce dalla Terra), in soli 20 anni di viaggio, anziché 80.000 anni con la tecnologia tradizionale. La vostra vela spinta dai laser, si potrebbe utilizzare anche per i viaggi nel nostro Sistema Solare, per accorciare la durata del viaggio?

Le vele solari potrebbero certamente essere utilizzate per viaggiare all’interno del nostro sistema solare. Gli specialisti di missione dovrebbero considerare se valga la pena inviare sonde delle dimensioni di un grammo, su altri pianeti in pochi minuti, o se preferiscono aspettare diversi anni di viaggio per inviare satelliti a grandezza naturale, utilizzando razzi tradizionali.

Pensate che un giorno si potrà realizzare un’astronave con una vela spinta dai fasci laser, per portare gli esseri umani vicino alla stella Alpha Centauri? In quel caso, gli esseri umani, dovranno anche subire gli effetti della Relatività Ristretta di Albert Einstein.

Altri hanno proposto di utilizzare vele leggere a propulsione laser per questo scopo. Esistono tuttavia diverse sfide significative per questo sforzo, tra cui l’enorme potenza laser richiesta (milioni di gigawatt) e i lunghi tempi di viaggio (40-50 anni per un viaggio di andata e ritorno). Anche se fosse tecnicamente possibile, non è chiaro se l’umanità sceglierebbe di investire in un’impresa del genere. I miglioramenti nella tecnologia dei microchip e dei sensori, promettono di migliorare notevolmente le capacità delle sonde spaziali, forse minando i futuri viaggi interstellari con umani.

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La vostra creazione potrebbe regalarci, entro qualche decennio, la prima foto scattata ad un pianeta appartenente ad un altro Sistema Solare, offrendoci la possibilità di vedere, da vicino, il primo esopianeta nella storia visto da un essere umano! Qual è il consiglio che daresti ai giovani del 2050, quando si emozioneranno nel vedere la prima navicella spaziale raggiungere un’altra stella, per la prima volta?

È interessante notare che, se siamo in grado di costruire riflettori da 50 metri di diametro per telescopi spaziali, potremmo visualizzare pianeti estranei alla Terra, senza dover inviare sonde più vicine. Sono una persona di fede, che crede in un Dio amorevole, che ha creato il nostro pianeta e lo riempie di vita. Mentre immagino di esplorare posti sempre più lontani dalla Terra e scoprire altre parti del cosmo, sento sempre di più che il nostro pianeta è progettato in modo unico e speciale per farci vivere. Considerando ciò, incoraggerei tutti i giovani ad essere grati per il pianeta Terra, a cercare di preservarlo nel miglior modo possibile e, forse, anche a cercare risposte a grandi domande su chi li ha creati e quale sia il loro scopo nella vita.