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Missione Alpha Centauri: funzionerà? Il progetto Breakthrough Starshot

La NASA ha introdotto nel dicembre 2017 un “concetto” di missione per lanciare una sonda interstellare entro l’anno 2069 per la ricerca di biosignature sui pianeti attorno alle stelle nel sistema Alpha Centauri. Un concetto di missione preliminare suggerisce l’utilizzo di vele solari  azionate da laser ad alta energia per aumentare la propulsione.  Il lancio proposto coinciderebbe con il 100 ° anniversario della missione Apollo 11.

Per raggiungere la velocità auspicata si potrebbe far ricorso a metodi di propulsione basati su collisioni materia-antimateria, alla propulsione nucleare o a vele spinte da raggi laser come quelle pensate dall’iniziativa Breakthrough Starshot (ne abbiamo scritto qui): tutte tecnologie al momento non disponibili.

propulsore a ioni
Un propulsore studiato dalla Nasa, che sfrutta particelle cariche (ioni) e campi magnetici per ottenere la spinta. In effetti alcune sonde, come Dawn della Nasa, che ha esplorato i pianetini Vesta e Cerere, hanno a bordo un motore a ioni usato per eseguire piccole manovre. Ma anche versioni “turbo” di questa tecnologia sarebbero insufficienti per viaggi interstellari (ma sarebbero efficientissime per andare su Marte).

La più interessante è quella che sfrutterebbe l’annichilazione di materia e antimateria, cioè l’energia che si libera quando particelle di materia si incontrano con le loro “gemelle diverse” dell’antimateria, che hanno uguale massa ma opposta carica elettrica. L’incontro tra un atomo di idrogeno e uno di anti-idrogeno provoca un lampo di energia che fa sembrare la fusione nucleare un fuocherello. Il problema è produrre antimateria (sulla Terra riusciamo a farlo con grandissima difficoltà negli acceleratori di particelle), e poi tenerla separata dalla materia fino al momento giusto.

Una strada per riuscirci si trova in uno studio del 2003 di Steven Howe e Gerald Jackson, del Fermilab di Chicago. I due ricercatori hanno immaginato un serbatoio composto da una serie di celle, ognuna contenente un pacchetto di atomi di anti-idrogeno separati dal resto da un campo elettrico; il serbatoio è collegato a una fonte di energia elettrica, che periodicamente provoca una scarica e fa uscire dalle celle un po’ di carburante, indirizzandolo verso una “vela” in carbonio ricoperta di uranio. Quando l’anti-idrogeno incontra l’uranio, si ha l’annichilazione, che produce una spinta sulla vela.

Secondo i due ricercatori, con un motore di questo tipo basterebbero 17 grammi di anti-idrogeno per arrivare ad Alpha Centauri in 40 anni, raggiungendo una velocità pari a un decimo di quella della luce. Il problema è che 17 grammi sono enormemente più di tutta l’antimateria finora prodotta sulla terra. Inoltre, anche se si riuscisse a realizzare un motore così, rispunterebbe un problema politico analogo a quello del nucleare. Perché, in linea di principio, l’antimateria è terribilmente efficace anche come arma.

Ammesso che si raggiunga il sistema stellare, puntare all’orbita di un esopianeta richiederebbe decine di anni in più per frenare e manovrare la sonda. La missione finirebbe per durare alcuni secoli.

Ma sognare non costa nulla. Soprattutto, perché applicarsi a un obiettivo così ambizioso, potrebbe servire a migliorare l’esplorazione del nostro sistema solare e a rendere più veloce raggiungere Marte.

Il piano di Stephen Hawking

Il fisico Stephen Hawking e il filantropo Yuri Milner hanno annunciato un piano ambizioso per raggiungere le stelle più vicine. Grazie a un investimento di 100 milioni di dollari vogliono sviluppare un sistema di propulsione veloce per raggiungere le stelle vicine. In tempi compatibili con una vita umana. E con nano sonde complete di tutto.

Alpha Centauri, il sistema stellare più vicino al nostro, si trova a 4,37 anni luce da noi: sono circa 40 trilioni di km di distanza. Con la sonda più veloce in nostro possesso, impiegheremmo circa 30 mila anni per raggiungerlo.

vele solari
Centinaia, forse migliaia, di astronavi grandi quanto un francobollo, dal costo di un iPhone, spinte da “fasci” laser “sparati” da Terra e in grado di raggiungere velocità di circa il 20% di quella della luce. È il progetto Breakthrough Starshot, sviluppato da Sthephen Hawkings (e altri scienziati) con un finanziamento da 100 milioni di dollari dell’investitore e filantropo russo Yuri Milner (e con la partecipazione di Mark Zuckerberg).

Stephen Hawking e l’investitore e filantropo russo Yuri Milner, insieme a Mark Zuckerberg e altri cervelloni tra scienziati e ingegneri, hanno in mente un piano più rapido. Una nanosonda sospinta da una vela in metamateriali ultraleggeri, che attraverso la spinta congiunta di raggi laser possa viaggiare al 20% della velocità della luce, catturando le immagini di tutto ciò che incontra durante il percorso.

Se Breakthrough Starshot – questo il nome del progetto, una costola dell’iniziativa Breakthrough – divenisse realtà, per arrivare ad Alpha Centauri occorrerebbero 20 anni: se si pensa che la Voyager 1, partita quasi 40 anni fa, si trova ora ai confini del Sistema Solare, non è difficile immaginare le ripercussioni che una simile modalità di propulsione potrebbe avere sull’esplorazione spaziale.

Soltanto la fase ingegneristica del progetto richiederà diversi anni di sviluppo. La nanosonda robotica, completa di telecamere, propulsori fotonici, batterie, sistemi di navigazione e comunicazione, non sarebbe più grande di un francobollo e potrebbe essere prodotta al costo di un iPhone.

A sospingerla ci sarebbe una vela solare non più spessa di qualche centinaio di atomi e del peso misurabile in grammi, il risultato dei progressi che si stanno compiendo nell’ambito delle nanotecnologie e dei metamateriali, sempre più sottili e resistenti.

Fasci ottici di laser funzionanti all’unisono, come un’unica antenna (phased array laser) potrebbero generare l’energia necessaria a sospingere la vela solare, arrivando dove i raggi del Sole non riescono: potenzialmente, potrebbero raggiungere i 100 gigawatt di potenza, fornendo un’accelerazione fenomenale in pochi minuti. Funzionerebbero in modo modulare, spingendo la nanosonda sempre più in là prima sfruttando la spinta da terra, poi utilizzando quella prodotta dalla sonda madre e così via, facendo guadagnare progressivamente velocità alla nanoastronave.

Le sfide aperte sono moltissime: si va dal costruire una distesa di antenne laser a costruire una “navicella madre” che possa condurre in orbita migliaia di nanosonde, fino al superamento di ostacoli come la perturbazione dell’atmosfera terrestre e lo scontro con le polveri interstellari.

Per questo gli scienziati hanno scelto di pubblicare online tutti i loro dati, e avvalersi dei benefici della condivisione di conoscenze open source.

L’obiettivo è ambizioso e sfaccettato: individuare eventuali esopianeti abitabili,  esplorare gli asteroidi o ancora studiare più a fondo i corpi celesti del Sistema Solare. Nulla toglie che le nanosonde possano essere spedite anche più vicino (o più lontano).

Breakthrough Starshot è promossa da Stephen Hawking e da Yuri Milner, ma oggi nel board (in italiano, il consiglio d’amministrazione) dell’iniziativa è entrato anche Mark Zuckerberg. A capo del progetto c’è Pete Worden, ex direttore del centro di ricerca AMES della NASA, e vede il coninvolgimento di una ventina di scienziati di tutto il mondo compreso un italiano, Giancarlo Genta del politecnico di Torino.

Il progetto Breakthrough Starshot

Come già introdotto il progetto ambisce allo sviluppo di una flotta di veicoli spaziali a vela leggera denominata StarChip  per  compiere il viaggio verso il sistema stellare Alpha Centauri a 4,3 anni luce di distanza.

Una missione di sorvolo è stata proposta a Proxima Centauri b, un pianeta extrasolare di dimensioni terrestri nella zona abitabile della sua stella ospite, Proxima Centauri nel sistema Alpha Centauri. Ad una velocità compresa tra il 15% e il 20% della velocità della luce occorrerebbero tra venti e trenta anni per completare il viaggio e circa quattro anni per un ritorno messaggio dalla nave stellare alla Terra.

I principi concettuali per realizzare questo progetto sono stati descritti in ” Una tabella di marcia verso il volo interstellare “, di Philip Lubin dell’UC Santa Barbara. L’invio della navicella leggera coinvolge una serie di fasci laser orientabili a raggio di un chilometro con una potenza di uscita coerente combinata di fino a 100 GW.

Il progetto è stato annunciato il 12 aprile 2016 in un evento tenutosi a New York dal fisico e venture capitalist Yuri Milner , insieme al cosmologo Stephen Hawking , che era membro del consiglio di amministrazione delle iniziative. Altri membri del consiglio di amministrazione includono l’amministratore delegato di Facebook Mark Zuckerberg.

Nel 2017 Stephen Hawking ha dichiarato al pubblico al Starmus Festival :

Le nostre risorse fisiche vengono drenate ad un ritmo allarmante. Abbiamo dato al nostro pianeta il dono disastroso del cambiamento climatico . Temperature in aumento, riduzione delle calotte polari, deforestazione e decimazione delle specie animali. Possiamo essere un sacco ignoranti e irragionevoli. Stiamo esaurendo lo spazio e gli unici posti dove andare sono altri mondi. È tempo di esplorare altri sistemi solari. Diffondere può essere l’unica cosa che ci salva da noi stessi. Sono convinto che gli umani debbano lasciare la Terra. 

Il concetto di Starshot prevede il lancio di una “nave madre” che trasporta un migliaio di minuscoli veicoli spaziali (sulla scala dei centimetri) in un’orbita terrestre di alta quota che poi schiererà. Un allineamento graduale di laser a terra focalizzerebbe un fascio di luce sulle vele dei velivoli per accelerarli uno alla volta alla velocità desiderata in iu tempo di circa 10 minuti, con un’accelerazione media dell’ordine di 100 km / s 2 (10.000  ɡ ) e un’energia di illuminazione dell’ordine di 1 TJ consegnata a ciascuna vela. Si suggerisce un modello di vela preliminare con una superficie di 4 m × 4 m. Una presentazione nell’ottobre 2017 del modello del sistema Starshot esaminerebbe vele circolari con diametro di 5 metri.

Breakthrough Starshot prova a mirare il veicolo spaziale entro 1 unità astronomica (150 milioni di chilometri ). Da questa distanza, le telecamere di un velivolo potrebbero potenzialmente catturare un’immagine di qualità sufficientemente elevata da risolvere le caratteristiche della superficie.

La flotta avrebbe circa 1000 veicoli spaziali e ciascuno (soprannominato StarChip ), sarebbe un veicolo di dimensioni molto ridotte, del peso di pochi grammi. In teoria sarebbero spinti da una serie di laser da 10 kW con una potenza combinata fino a 100 GW. Uno sciame di circa 1000 piccole vele compenserebbe le perdite causate da collisioni di polvere interstellare in rotta verso il bersaglio. In uno studio dettagliato nel 2016 Thiem Hoang e collaboratori hanno scoperto che attenuare le collisioni con la polvere, idrogeno e raggi cosmici galattici potrebbe non essere un problema di ingegneria impossibile.

Si prevede che ogni StarChip sia dotato di telecamere miniaturizzate, dispositivi di navigazione, apparecchiature di comunicazione, propulsori di fotoni e un alimentatore. Inoltre, ogniuna sarebbe equipaggiato con una lightsail (vela), costruita con materiali leggeri e una massa dell’ordine del grammo. 

  1. Telecamere: Sono previste quattro fotocamere digitali, ciascuna con una risoluzione minima di 2 megapixel.
  2. Processori: Quattro processori di scala sub-grammi per ogni StarShip.
  3. Propulsori di fotoni: Quattro propulsori fotonici, ognuno dei quali minimamente in grado di funzionare a un livello di laser a diodi 1W .
  4. Batteria: Una batteria atomica da 150 mg, alimentata da plutonio-238 o americio-241
  5. Rivestimento protettivo: Un rivestimento, possibilmente fatto di rame al berillio, è progettato per proteggere le piccole vele dalle collisioni di polveri e dall’erosione prodotte da particelle atomiche.

Si prevede che le lightsail non siano più larghe di 4 metri, possibilmente di materiale composito a base di grafene. Il materiale dovrebbe essere molto sottile e in grado di riflettere il raggio laser assorbendo solo una piccola quantità dell’energia incidente, altrimenti vaporizzerebbe la vela.

Altre potenziali destinazioni

La tabella qui sotto elenca le possibili stelle da visitare. I tempi di viaggio sono per il veicolo spaziale si riferiscono all’ingresso in orbita intorno alla stella (utilizzando la pressione dei fotone per manovre di aerobraking ).

NomeTempo di viaggio
(anno)
Distanza
( ly )
Luminosità
( L  )
Proxima Centauri1214.20.00005
α Centauri A101.254.361.52
α Centauri B147.584.360.50
Sirius A68.908.5824.20
Procyon A154,0611.446.94
Vega167,3925.0250.05
Altair176.6716.6910.70
Fomalhaut A221,3325.1316,67
Denebola325,5635.7814.66
Castor A341,3550.9849.85
Epsilon Eridani363,3510.500.50
  • Gli assist di successo a α Cen A e B potrebbero consentire tempi di viaggio a 75 anni per entrambe le stelle.
  • Lightsail ha un rapporto massa-superficie nominale (σ nom ) di 8,6 × 10 -4 grammi m -2 per una vela di classe grafena nominale .
  • Area del Lightsail, circa 10 5 m 2 = (316 m) 2
  • Velocità fino a 37.300 km s -1 (12,5% c)

Altre applicazioni

Il fisico tedesco Claudio Gros ha proposto che la tecnologia del Breakthrough dell’iniziativa Starshot può essere utilizzato in una seconda fase per creare una biosfera di microbi unicellulari in altri pianeti abitabili. Una sonda Genesis viaggerebbe a velocità più basse, circa lo 0,3% della velocità della luce . Potrebbe quindi essere decelerato usando una vela magnetica. 

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Esclusiva: la NASA ha iniziato i piani per una missione interstellare 2069 , New Scientist, di John Wenz, 19 dicembre 2017
  2. NASA sta pianificando la missione del 2069 per cercare la vita sui pianeti appena scoperti della Terra , Independent, Harry Cockburn, 19 dic 2017
  3. Il legislatore americano ordina alla NASA di pianificare un viaggio a Alpha Centauri per il 100 ° anniversario dello sbarco sulla luna , Science, di Daniel Clery, maggio. 23, 2016
  4. Propulsione a vela solare: una roadmap dalla tecnologia odierna alle vele interstellari (PDF). Edward E. Montgomery, Les Johnson. Fondamenti del laboratorio di studi interstellari . New York City College of Technology, Brooklyn, NY. 13-15 giugno 2017.
  5. “La NASA spera di inviare una sonda ad Alpha Centauri nel 2069” .
  6. Overbye, Dennis (12 aprile 2016). “Raggiungere le stelle, in 4,3 anni luce, un progetto visionario mira ad Alpha Centauri, una stella 4.37 anni luce” . New York Times . Estratto il 12 aprile 2016 .
  7. Stone, Maddie (12 aprile 2016). “Stephen Hawking e un miliardario russo vogliono costruire una nave stellare interstellare” . Gizmodo . Estratto il 12 aprile 2016 .
  8. Staff (12 aprile 2016). “Iniziative innovative – Breakthrough Starshot” . Iniziative innovative . Estratto il 14 aprile 2016 .
  9. Lubin, Philip (2016). “Una tabella di marcia per il volo interstellare” . Journal of British Interplanetary Society . 69 : 40. arXiv : 1604.01356 . Bibcode : 2016arXiv160401356L .(file disponibile presso l’Università della California, Santa Barbara qui Archiviato il 17 aprile 2016 presso il Wayback Machine, accesso il 16 aprile 2016)
  10. Hall, Loura (7 maggio 2015). “PROFONDO IN DIRETTA Propulsione Energetica per l’esplorazione interstellare” . Notizie della NASA . Estratto il 22 aprile 2016 . La NASA è lieta di sapere che il professor Lubin ha ricevuto finanziamenti esterni per continuare il lavoro iniziato nel suo studio NIAC.
  11.  James Romero, “Dovremmo seminare la vita attraverso il cosmo usando navi laser-driven?” , New Scientist , 13 novembre (2017).

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