Quando raggiungeranno i prossimi sistemi stellari le sonde Pioneer e Voyager?

Quando nel 1972 la NASA lanciò la sonda Pioneer 10 verso Giove, non si sapeva neanche se avrebbe attraversato indenne la Fascia principale degli asteroidi. Oggi le quattro esploratrici del Sistema Solare lanciate negli anni Settanta – le Pioneer 10 e 11, e le Voyager 2 e 1 – sono ormai dirette oltre i confini dello Spazio interstellare (anche se le Pioneer hanno ormai smesso di comunicare con la Terra, e risultano ormai completamente isolate). Viaggiano a una velocità di circa 10 km al secondo, sufficiente a coprire un parsec (3,26 anni luce) di distanza ogni 100 mila anni. Quali altre stelle incontreranno nel loro percorso?

La domanda è più difficile di quel che sembri. Le stelle si muovono rapidamente nello Spazio interstellare, e per capire con quale di esse avverrà il prossimo flyby occorre conoscere la loro velocità. Coryn Bailer-Jones del Max Planck Institute for Astronomy (Germania) e Davide Farnocchia del Jet Propulsion Laboratory di Pasadena, California, hanno ottenuto queste informazioni dalla mappa 3D più completa e aggiornata delle stelle della Via Lattea: quella realizzata dal satellite dell’ESA Gaia, che dal 2014 ha registrato la posizione di un miliardo di stelle, pianeti, comete e asteroidi della Galassia, e misurato velocità e luminosità dei 150 milioni di oggetti più brillanti in essa contenuti.

Il risultato è una mappa tridimensionale che mostra i movimenti di tutti gli oggetti contenuti nella Via Lattea. I due scienziati hanno utilizzato la versione più aggiornata di questo atlante celeste, il Gaia Data Release 2 o GDR2, per ottenere proiezioni delle future posizioni delle stelle più vicine, e confrontarle con le future posizioni delle sonde Pioneer e Voyager. Hanno così stilato una lista dei prossimi “incontri ravvicinati” tra le sonde e i sistemi stellari che visiteranno (dove per incontro ravvicinato si intende un flyby a distanza inferiore a 0,2 o 0,3 parsec).

Sonde Pioneer

La prima sonda a incrociare un nuovo sistema stellare sarà la Pioneer 10: tra 90 mila anni, la sonda si avvicinerà a HIP 117795, una stella arancione-rossa nella costellazione di Cassiopea, tenendosi a una distanza di 0,231 parsec (0,753 anni luce). Quindi sarà la volta della Voyager 1, che tra 303 mila anni passerà accanto a una stella chiamata TYC 3135-52-1, tenendosi a una distanza di 0,3 parsec (0,978 anni luce). Tra 900 mila anni, la Pioneer 11 effettuerà un flyby della stella TYC 992-192-1 a una distanza di 0,245 parsec (0,798 anni luce). Tutti i sorvoli avverranno a distanze inferiori all’anno luce: in certi casi, saranno abbastanza vicini da sfiorare l’orbita delle comete più distanti delle rispettive stelle.

Il viaggio della Voyager 2 sarà probabilmente più noioso: la sonda non dovrebbe transitare a distanze inferiori a 0,3 parsec da una stella per i prossimi 5 milioni di anni. Tra 42 mila anni saluterà però da lontano (0,6 parsec) la stella Ross 248, nella costellazione settentrionale di Andromeda.

Nel complesso, le quattro sonde si avvicineranno a circa 60 stelle nel prossimo milione di anni, e si porteranno a una distanza entro i due parsec rispetto a 10 di esse. Il loro viaggio si concluderà quando entreranno in collisione, o saranno catturate dalla gravità di altre stelle, ma questo non dovrebbe avvenire per lungo tempo: si parla di un periodo di anni nell’ordine di 10 elevato alla 20 ventesima potenza (10^20), quando la vita operativa delle sonde sarà ormai finita da un bel pezzo.

La storia delle sonde Voyager

«Nessuno di noi poteva immaginare, 40 anni fa, quando abbiamo lanciato le Voyager, il 20 agosto e il 5 settembre 1977, che avrebbero funzionato tanto a lungo, ancora fino a oggi». Così parlava nel 2017 Ed Stone, scienziato del JPL (Nasa) che ha partecipato fin dall’inizio al Programma Voyager. «E la cosa più emozionante è che ciò che le Voyager ci racconteranno nei prossimi anni sarà probabilmente qualcosa che non sapevamo fosse là fuori, in attesa di essere scoperta.»  Non c’è in effetti alcun dubbio: i record storici di queste due pioniere dello spazio sono già innumerevoli, e dal momento che tuttora funzionano e continuano a viaggiare verso le stelle è facile attendersi nuove meravigliose scoperte.

La Voyager 1, partita il 5 settembre 1977, è al momento l’oggetto costruito dall’uomo più lontano dalla Terra e il primo entrato nello spazio interstellare. Ha superato da tempo i pianeti e ci sta fornendo informazioni sulle condizioni dello Spazio al di fuori dell’influenza del Sole: i raggi cosmici (particelle cariche di energia che viaggiano quasi alla velocità della luce) sono qui 4 volte superiori che nella regione – dai confini incerti – che identifichiamo come “Sistema Solare”. Questo significa che l’eliosfera (la bolla di influenza del Sole, con i pianeti e il vento solare) agisce come uno scudo per quelle radiazioni. La sonda ha inoltre rivelato che il campo magnetico interstellare avvolge l’eliosfera.

La Voyager 2, leggermente più lenta, entrerà nello spazio interstellare fra qualche anno. Combinando i suoi dati con quelli della sua gemella, gli scienziati possono ricostruire le interazioni fra mezzo interstellare ed eliosfera. Questo è possibile grazie ai pochi strumenti ancora in funzione: rilevatori di particelle cariche, di campi magnetici, di onde radio a bassa frequenza e di plasma solare.

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La posizione delle gemelle Voyager (clicca sull’immagine per ingrandirla): sono entrambe in una zona che possiamo definire “confine del Sistema Solare”. La Voyager 1, però, si trova già dove il vento cosmico è più intenso di quello solare. Hubble sta analizzando su grande scala quella che sarà la strada che le due sonde percorreranno nel prossimo decennio e oltre, attraversando varie nubi gassose. | NASA

La storia delle Voyager comincia nell’estate del ’65: quando la Mariner 4 era appena diventata la prima sonda ad atterrare su un altro pianeta e, alla facoltà di ingegneria spaziale del Caltech, Gary Flandro era alla ricerca di nuove traiettorie per i pianeti più esterni: Giove, Saturno, Urano, Nettuno… Fino ad allora poco più di puntini luminosi nei telescopi. Gary scoprì che, una volta ogni 175 anni, un allineamento planetario creava la strada perfetta per portare una sonda ai confini del Sistema Solare facendole sorvolare proprio i pianeti mai visti. Un viaggio di 15 mila volte la distanza fra la Terra e la Luna, lungo qualche decina di anni: il Planetary Grand Tour.

Ma come fare funzionare fotocamere, antenne, spettrometri e altri strumenti per decenni? Così lontano non arriva nemmeno l’energia del Sole e il freddo cosmico può distruggere i circuiti elettrici. Il problema viene risolto con l’RTG (generatore termoelettrico a radioisotopi), un dispositivo – inventato nel 1965 – caricato con la maggior parte del plutonio-238 allora disponibile sulla Terra: un isotopo radioattivo prodotto nei reattori nucleari, il cui lungo decadimento rilascia energia e calore.Cape Canaveral, 20 agosto 1977: un razzo Titan/Centaur porta nello Spazio la Voyager 2 (la prima a partire). | NASA/JPL

Nell’estate del ’77, mentre i cinema proiettano Star Wars, le due gemelle partono per lo Spazio. Arriveranno a Giove meno di due anni dopo scoprendone gli anelli. Per la prima volta vennero fotografati dei vulcani attivi al di fuori della Terra: dalla luna Io enormi eruzioni sputano l’interno del satellite nello Spazio, creando una scia di polveri attorno al gigante gassoso.

Voyager, sonde Voyager, Nasa, Voyager 1, Voyager 2, Sistema SolarePoco più di un anno dopo, a velocità mai eguagliate prima (e superate in seguito solo da New Horizon), raggiungono Saturno. Qui la Voyager 1 sorvola Titano, il satellite più simile alla Terra, dove però il ciclo dell’acqua è sostituito dal ciclo del metano: piove metano, su ghiacciai di metano che poi si sciolgono in laghi di metano. Mentre Voyager 1 punta direttamente verso lo spazio interstellare, il viaggio della Voyager 2 nel Sistema Solare prosegue fino all’incontro con Urano (1986) e Nettuno (1989), due giganti freddi di cui si è scoperto più in quelle poche ore di sorvolo che in secoli di osservazioni da Terra.

Entrambi hanno mostrato un debole sistema di anelli e nuove lune, ma fotografare i pianeti non fu facile: la luce solare era troppo fioca e la velocità della sonda troppo elevata per mantenere semplicemente l’obiettivo aperto. Inoltre, la Voyager non poteva essere manovrata da Terra: fra l’invio e la ricezione del comando sarebbero passate più di 3 ore. Fu quindi messo a punto un software di puntamento automatico in grado di fare ruotare la navicella (progettata e costruita negli stessi anni del floppy disk, per chi si ricorda ancora che cos’è…) mentre scattava le foto.

Fino all’incontro con Nettuno il Progetto Voyager nel suo complesso, tra tecnici, scienziati e impiegati che lo hanno reso possibile, ha richiesto qualcosa come 11 mila anni di lavoro, un terzo del tempo-uomo stimato per la costruzione della Grande Piramide di Ghiza, la più grande e antica testimonianza del nostro passato.

Forse, il primo ad avere sognato le Voyager è stato guidato non solo dalla curiosità per l’inesplorato, ma anche dallo spirito che ha mosso i faraoni. Oltre alle fotocamere e agli spettrometri, sulle sonde è stato caricato un disco d’oro: un messaggio “per chiunque” trovi una delle sonde.

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Musica per E.T. L’astronomo Carl Sagan, cofondatore del SETI, avrebbe voluto includere Here Comes the Sun (dei Beatles) nei Voyager Golden Record, i due dischi inseriti nella struttura delle due Voyager con incisi saluti in tutte le lingue, suoni naturali, musiche varie e immagini della Terra. Una canzone del genere era l’ideale per rassicurare un extraterrestre sulla natura pacifica del genere umano: la band era favorevole, ma la loro casa discografica, l’EMI, si rifiutò di cedere i diritti… | NASA – CARL SAGAN

L’involucro è placcato con uranio-238, un isotopo radioattivo dell’uranio che decade in miliardi di anni: analizzandolo, chiunque abbia le conoscenze adeguate può scoprire l’età del disco (e della sonda). Su di esso è incisa una mappa di quasar per triangolare la posizione del Sistema Solare e le istruzioni per leggere il disco. Nel disco ci sono immagini, video e suoni della Terra: vagiti e risate, panorami e fenomeni atmosferici, saluti in 55 lingue, brani musicali e il discorso di Jimmy Carter. L’allora presidente degli Stati Uniti conclude così il messaggio lanciato nel buio:

“… Speriamo un giorno, avendo risolto i nostri problemi, di poter entrare a far parte di una comunità galattica. Questo messaggio rappresenta la nostra speranza, la nostra determinazione e la nostra volontà in un vasto e meraviglioso universo.”

Nel 1990 l’astronomo Carl Sagan (l’uomo che ride nel disco d’oro) ha chiesto che la Voyager 1 fosse orientata un’ultima volta verso di noi, per scattare una foto di ogni pianeta. Da 6 miliardi di km di distanza la Terra è un pallido puntino blu immerso nel buio cosmico, senza un significato evidente (guarda anche le più belle foto della Terra ripresa dallo spazio).

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Ogni santo e peccatore nella storia della nostra specie è vissuto lì, su un minuscolo granello di polvere sospeso in un raggio di Sole, scrisse Carl Sagan commentando questa foto. Fu sua l’idea di orientare la telecamera della Voyager verso il nostro pianeta, per scattare questa immagine. | NASA/JPL

Adesso, mentre una Voyager si allontana Sistema Solare, la luce del Sole si affievolisce e prima o poi verrà superata dalla luminosità della stella Sirio. La sonda ha percorso 40 dei 356 mila anni che le serviranno per coprire gli 8,6 anni luce che ci separano da Sirio. C’è un problema: nonostante tutti gli studi e i trucchi adottati per rendere più efficiente l’elettronica degli anni ’70, alle sonde rimangono poco più di 10 anni di vita. Secondo gli scienziati che le seguono, l’ultimo componente scientifico funzionante non riceverà più l’energia che gli serve nel 2030.

Dopodiché, silenziose e senza più alcuna possibilità di contatto con la Terra, continueranno nel loro viaggio. Non sappiamo se il “messaggio in bottiglia” verrà mai trovato da qualcuno, ma qualsiasi cosa dovesse succedere al piccolo e fragile puntino blu, un ricordo di noi e del nostro pianeta continuerà a viaggiare nel Cosmo.

Quanto tempo richiedono i viaggi interstellari

La fantascienza ci ha abituati ai viaggi interstellari, tanto da farci dimenticare quali sono le enormi distanze da affrontare. Tanto per fare un classico esempio, consideriamo la sonda interplanetaria Voyager 1, l’oggetto più veloce che sta abbandonando il sistema solare: allontanandosi dal Sole a 17 chilometri al secondo (circa 60.000 km/h), impiegherà qualcosa come 75000 anni per raggiungere la distanza della stella più vicina (Proxima Centauri). È chiaro che i tradizionali razzi a combustibile chimico, seppure aiutati dal “gravity assist” di Giove e Saturno, sono del tutto inadeguati per simili percorrenze e un salto tecnologico drastico si rende necessario.

A questo proposito, le idee proposte sono tante: si parte dai razzi sfruttano la fissione e la fusione nucleare (magari raccogliendo il combustibile lungo la strada, dalla materia interstellare), fino a quelli alimentati dall’annichilazione materia-antimateria, passando per enormi vele spinte dalla luce. Si tratta di soluzioni già in parte sperimentate ma che richiedono comunque decenni di sviluppo ed enormi sforzi tecnologici ed economici per concretizzarsi.

Per un futuro lontano (e tutto da verificare), c’è chi ha proposto lo sfruttamento di “motori a curvatura” oppure dei “wormhole”: soluzioni fantasiose che partono da ipotesi della relatività generale portate all’estremo, consentendo spostamenti a velocità superiori a quella della luce. In questo articolo non mi spingerò fino a questi estremi e cercherò di fare qualche considerazione basata sulla fisica attuale, individuando quali sono i limiti teorici dei viaggi interstellari, in particolare con equipaggi umani. Alcuni aspetti matematici o tecnologici sono appena accennati e il lettore curioso potrà approfondirli tramite i link riportati a fine articolo.

Il problema del tempo (e della velocità): Per cominciare, la durata della vita umana è tale per cui un viaggio non può ragionevolmente durare più di qualche decina di anni (diciamo 40 al massimo). Questo limite vale sia per i viaggiatori che per chi rimane a terra ma vuole conoscere l’esito della missione a cui ha lavorato, sempre che si riesca a trovare il modo di non far impazzire l’equipaggio in un viaggio che dura la metà di una vita! (1). Per questi motivi, è necessario che la velocità media della nostra astronave sia almeno il 12% di quella della luce (0,12c) e questo se la destinazione è la stella più vicina e non è previsto un viaggio di ritorno (2).

In generale, è lecito imporre una “velocità di crociera” di 0,15-0,4c per spostamenti verso le stelle più vicine (entro i 6 anni luce della stella di Barnard); queste sono già velocità “quasi relativistiche” per le quali gli effetti previsti da Einstein diventano percepibili anche se contenuti. Per destinazioni più lontane, poi, è necessario muoversi in regime relativistico, dove gli effetti di dilatazione temporale e contrazione spaziale diventano macroscopici, come vedremo tra poco. Anche in questa eventualità (tecnologicamente remota), il limite temporale valido per chi rimane a terra implica che non si possa andare oltre 20 anni luce scarsi (considerando anche il tempo necessario a ricevere il segnale dalla destinazione); è come doversi limitare a visitare il nostro condomino quando ci sarebbe una città intera da esplorare!

Inoltre, il corpo umano è fragile e non può sopportare per tempi prolungati una accelerazione diversa da quella terrestre. Questo pone un serio limite alla rapidità con cui si può raggiungere una velocità adatta a viaggi interstellari. In effetti, anche ammettendo una velocità finale “di crociera” vicina a quella della luce, è necessario circa un anno di accelerazione costante al valore massimo di 1g (9,8 metri per secondo quadrato) prima di raggiungerla.

Completata la fase di accelerazione iniziale a velocità “sub-relativistica”, la relatività ristretta ci viene in aiuto e permette di effettuare un vero e proprio miracolo, a patto di continuare ad accelerare costantemente nel sistema di riferimento dell’astronave. Grazie infatti agli effetti di dilatazione del tempo e di contrazione delle lunghezze, mentre sulla terra passano anni e l’astronave si avvicina sempre più alla velocità della luce (c) senza mai raggiungerla, il suo equipaggio brucia le tappe, come illustrato nella seguente ipotetica cronistoria:

“Timeline” di un ipotetico viaggio ad accelerazione costante (1g)

  • L’astronave ha appena acceso i suoi motori e, partendo da un’orbita bassa, in meno di 3 ore ha oltrepassato l’orbita lunare muovendosi a 85 km/s, 5 volte la velocità di Voyager-1.
  • Le orbite di Marte e Giove vengono attraversate, rispettivamente, 1,4 e 4,2 giorni dopo la partenza, seguendo una traiettoria praticamente rettilinea.
  • Dodici giorni dopo, viene raggiunta l’orbita di Plutone e la velocità è circa 10000 km/s (c/30).
  • Sei mesi dopo la partenza, gli orologi a bordo dell’astronave indicano una differenza di circa 8 giorni rispetto a quelli sulla terra, a causa della dilatazione relativistica dei tempi; la velocità è il 45,8% di quella della luce e la distanza raggiunta è di circa 0,13 anni luce (8500 unità astronomiche, nella nube di Oort).
  • Un anno dopo la partenza il calendario dell’astronave segna 320 giorni trascorsi, la velocità 0,871c e la distanza è 0,42 anni luce dal Sole, nella zona esterna della nube di Oort.
  • Passati 20,5 mesi (15,5 sull’astronave) siamo a 1 anno luce dal Sole, nello spazio interstellare; in questa fase, gli astronauti vedono che le distanze vengono coperte a una velocità maggiore di c ma solo utilizzando il metro terrestre; nel loro sistema di riferimento in realtà non c’è alcuna violazione del limite imposto dalla relatività, poiché tutte le distanze si sono accorciate! Lo stesso discorso vale naturalmente anche per gli osservatori sulla Terra dal momento che per loro è l’orologio dell’astronave che scorre più lentamente, dando all’equipaggio l’impressione di essere così veloci.
  • A 2,9 anni dalla partenza l’astronave si trova a 2,12 anni luce di distanza; perciò, se invertisse la spinta in quel punto, potrebbe fermarsi su Proxima Centauri impiegando quasi 6 anni misurati sulla terra e poco più di 3,5 anni per gli astronauti.
  • Il nostro coraggioso equipaggio decide però di tirare dritto e, 5,1 anni terrestri dopo la partenza (2,3 sull’astronave), sfreccia accanto a Proxima Centauri, con velocità apparente di circa 6,5 c.
  • Sono passati quasi dieci anni dalla partenza ma meno di 3 sull’astronave; la stella Sirio viene oltrepassata e gli astronauti hanno l’impressione di viaggiare 10 volte più veloci della luce usando il metro terrestre!
  • Sulla Terra sono trascorsi oltre 14 secoli ma l’orologio a bordo dice che siamo a meno di 8 anni dalla partenza; l’astronave è giunta dalle parti della nube di Orione.
  • Quando l’orologio di bordo segna 10 anni, l’astronave è a circa 14500 anni luce di distanza, a metà strada tra il Sole e il centro della Via Lattea; questa destinazione potrebbe venire raggiunta ed esplorata decelerando per altri 10 anni. Se poi l’equipaggio decidesse di tornare indietro, la durata complessiva del viaggio raggiungerebbe i fatidici 40 anni mentre sulla terra sarebbero trascorsi quasi 60mila anni e l’umanità sarebbe probabilmente estinta da un pezzo!
  • A 12 anni e 4 mesi dalla partenza, l’astronave passa accanto alle Nubi di Magellano, 160000 anni luce dalla Terra!
  • A 15 anni dalla partenza, l’astronave è giunta alla galassia di Andromeda (2.5 milioni di anni luce).
  • A 18 anni dalla partenza, l’astronave è giunta al grande ammasso della Vergine (55 milioni di anni luce).
  • A 20 anni, 9 mesi e 15 giorni di tempo proprio viene oltrepassato il miliardo di anni luce.
  • 22 anni e 8 mesi dopo la partenza siamo a 7 miliardi di anni luce dal sistema solare; il sole è diventato una gigante rossa e presto sarà una nana bianca; la terra non esiste più oppure è un sasso senza vita alla deriva e l’equipaggio non avrebbe più una casa in cui tornare.
  • Quando infine l’orologio di bordo indica 23 anni e 4 mesi, l’astronave è arrivata ai confini dell’universo attualmente osservabile. Sarebbero trascorsi 13,8 miliardi di anni sulla terra, se ci fosse ancora…

Questo vertiginoso viaggio ai confini dell’universo non è e non sarà mai praticamente realizzabile per i motivi che vedremo presto illustrati; è tuttavia un interessante esperimento concettuale che ci fa capire i limiti e le potenzialità insite nelle leggi della relatività; in particolare, si capisce che, anche se nel corso della propria vita un equipaggio potrebbe addirittura raggiungere altre galassie, esso perderebbe qualsiasi nesso temporale con la terra e un viaggio di ritorno avrebbe poco senso. 

Il problema dell’energia (e della massa): Ed eccoci al secondo fattore che limita fortemente i viaggi interstellari. Normalmente, per muoversi autonomamente nello spazio, un veicolo deve portare con sé della materia (tipicamente combustibile) da poter accelerare in verso opposto a quella in cui intende muoversi (principio di azione e reazione). La velocità che è possibile raggiungere espellendo materia a velocità ve sarà data dalla celebre “equazione del razzo” attribuita a Tsiolkovsky (4):

Vf = ve ln(mi/mf)

dove mi e mf sono le masse iniziale e finale del razzo (la differenza fra i due è la massa espulsa a velocità ve non comprende eventuali scarti, come motori e serbatoi esausti abbandonati lungo il percorso). Perciò, supponendo ottimisticamente che il 90% della massa iniziale sia costituita da “exhaust” da espellere, la velocità finale sarà 2,3 volte quella di espulsione. Facciamo riferimento al requisito del precedente paragrafo ovvero una velocità di 0,12c per un viaggio di sola andata su Proxima centauri; allora la velocità di espulsione deve essere di quasi 16mila chilometri secondo! Questa è una velocità proibitiva da ottenere con le tecnologie attuali o in fase di studio avanzato, che sono le prime 5 nella seguente tabella.

Tecnologia di propulsione Ve (km/s) efficienza di conversione
Razzo a combustibile solido 2,5 1,4·10-11
Razzo a bipropellente (H/O) 4,4 1,1·10-10
Motore a ioni 29 4,7·10-9
Motore magnetoplasma(VASIMIR) 30-120 (0,5-8)·10-8
Motore ioni a 2 stadi / 4 griglie elettrostatiche 210 2,5·10-7
Motore a Fissione (U235) 13000 0,001
Motore a Fusione (2H -> He) 36000 0,0071
Materia-Antimateria 300000 (0,5)

Come si vede, la fusione nucleare potrebbe a malapena soddisfare le prestazioni necessarie per raggiungere le stelle più vicine (5), mentre il migliore combustibile (l’unico che consentirebbe velocità davvero relativistiche) è l’antimateria che, annichichilandosi con una quantità uguale di materia, si trasforma completamente in energia, dunque in radiazione emessa alla velocità della luce. Purtroppo si tratta di raggi gamma emessi in tutte le direzioni (isotropicamente) e impossibili da deviare o riflettere poiché altamente energetici; al massimo si possono assorbire, ma questo fa dimezzare l’efficienza di spinta (valore tra parentesi). Il problema dell’antimateria è che praticamente non esiste in natura e va creata in laboratorio utilizzando una quantità di energia enorme, molto più grande di quella che se ne ricava. Anche se un giorno si trovasse il modo di fabbricarla in modo efficiente, c’è bisogno di estrema cautela nel maneggiarla e immagazzinarla (è necessario fare ricorso al “vuoto spinto” e a contenitori immateriali fatti di campi elettromagnetici!).

viaggi interstellari

Supponendo di voler realizzare un vascello relativamente piccolo, con massa totale di 1000 tonnellate di cui 120 di carico utile, 440 di materia da annichilare e altrettante tonnellate di antimateria, per produrre quest’ultima sarebbero necessari almeno 1e22 joule, ovvero 2,7 ExaWatt-ora (6), quasi 20 volte il consumo mondiale di energia elettrica in un anno! Volendo ricavare questa energia dal Sole in un periodo di 15 anni, anche con una efficienza futuristica del 50%, sarebbero necessari circa 15000 km2 di pannelli solari posti alla distanza di Venere; si tratta della superficie di un quadrato di lato 125 km, pari a quella della Calabria.
Se qualcosa dovesse andare storto e l’antimateria, stivata nell’astronave, dovesse venire a contatto con la materia poco prima o durante il lancio, il potenziale esplosivo sarebbe circa 1000 volte l’intero arsenale nucleare esistente! In pratica, per una frazione di secondo il sistema solare si ritroverebbe con due stelle di luminosità confrontabili!(7) .

Quindi, per evitare ripercussioni pesanti sulla vita del pianeta terra, l’astronave andrebbe assemblata in un luogo sufficientemente lontano e schermato; come minimo, sul lato nascosto della Luna o sospesa a circa 64000 km sopra di esso, nel punto di librazione lagrangiana L2 del sistema terra-luna; meglio ancora sarebbe nel sistema solare esterno, possibilmente sul lato nascosto di grosso asteroide (ad esempio un “Troiano” di Giove), forzato ad avere una rotazione sincrona e sfruttato come “schermo naturale” per le radiazioni (8).
Tutti questi problemi e pericoli si potrebbero evitare se, invece di portarsi dietro il combustibile, la nostra astronave potesse raccoglierlo strada facendo oppure ricevere la spinta dall’esterno; ne parlo al prossimo paragrafo.

Il benzinaio interstellare: La prima idea è quella di raccogliere l’idrogeno necessario per la fusione nucleare dalla materia interstellare e risale agli anni 60 (proposta da R.W.Bussard e rappresentata nell’immagine di apertura); naturalmente, dato che il mezzo interstellare è estremamente rarefatto, l’imbuto per la raccolta dell’idrogeno deve misurare migliaia di km e non può essere un oggetto materiale; esso è costituito da un campo magnetico di forma opportuna, in grado di deviare particelle cariche in movimento. Come vedremo più avanti, questa sorta di magnetosfera artificiale è anche alla base del concetto di “vela magnetica”.

In una variante di questo sistema, l’idrogeno viene semplicemente usato come “fluido di lavoro” riscaldato da un motore a fusione alimentato a parte; in ogni caso, una parte dell’energia prodotta dovrebbe servire a ionizzare il gas interstellare, tramite radiazione ultravioletta proiettata in avanti con un laser. Inoltre, l’astronave verrebbe rallentata dal dover assorbire la quantità di moto del mezzo interstellare che, prima di entrare nel reattore, deve venire decelerato e poi riaccelerato a velocità elevatissima tramite riscaldamento o tramite campi elettromagnetici (motore a ioni); questa sorta di attrito può venire aggirato tramite due griglie elettrostatiche poste davanti e dietro l’astronave, che decelerano e accelerano rispettivamente gli ioni in entrata e quelli emessi dal motore recuperando l’energia cinetica, un po’ come fanno le auto ibride.

vela solare

Un sistema davvero interessante è quello di utilizzare un fascio di radiazione inviato “da terra” per spingere una nave priva di carburante ma dotata di una enorme “light sail”(9). In linea di principio, questo metodo potrebbe consentire di raggiungere una velocità relativistica ma, essendo basato sulla debole pressione di radiazione, le accelerazioni sono basse, complice anche la fragilità della leggerissima vela da usare.
Facciamo qualche calcolo. Le leggi sulla diffrazione ci dicono che un fascio di luce monocromatica (laser) non può venire concentrato su una regione più piccola di:

L = 2,44 D*λ/S

Dove D è la distanza di focalizzazione, λ è la lunghezza d’onda e S la dimensione della sorgente luminosa. Supponiamo di avere una sorgente “distribuita” su una regione decisamente ampia, 100000 km; essa potrebbe essere costituita da alcune centinaia di batterie laser in prossimità di un Punto di librazione terra-sole (L1, L4 o L5), alimentate da grandi pannelli fotovoltaici. Supponiamo che i laser impieghino radiazione infrarossa (λ=1 um circa). Un sistema simile riuscirebbe a focalizzare la radiazione su una vela ampia 230m a una distanza di 1 anno luce. Lo stesso risultato lo si potrebbe ottenere usando microonde (λ=1 cm), con le antenne distribuite su orbite solari nel sistema solare interno (D=500 milioni di km) e una vela grande il doppio ma costituita da un reticolo di sottili fili metallici, dunque più leggera e in grado di smaltire meglio il calore dovuto all’intenso irraggiamento.

Calcoliamo ora quanto deve valere questo irraggiamento, al fine di ottenere una accelerazione accettabile per un viaggio con equipaggio. Ebbene, dato che alla distanza della Terra dal Sole la pressione della luce solare ammonta a soli 9 μN/m2 (nella ipotesi ideale di una superficie perfettamente riflettente), e dato che per la dinamica:

a = F / M = P * S / M

un irraggiamento pari a quello solare (circa 1370 W/m2) fornirebbe su una astronave da 200 tonnellate con vela circolare di 230 m una accelerazione ridicola (1,9e-6 m/s2); è dunque necessario raggiungere un irraggiamento almeno 1 milione di volte più intenso, per ottenere a=1,9 m/s2 e quindi giungere fino a D=1 anno luce con una velocità v=0,15c in circa 10 anni. Un fortissimo irraggiamento implica una serie di problemi, prima di tutto di natura termica: anche se la vela riflettesse il 99% della radiazione, il rimanente 1% che viene assorbito ne provocherebbe la fusione immediata, poiché l’entità del riscaldamento sarebbe la stessa di un corpo scuro posto a soli 1,5 milioni di km dal Sole! Per evitare questo rischio bisogna ottenere una riflettività estremamente alta (almeno il 99,999%), cosa tutt’altro che facile tecnologicamente (10). Certo, la situazione potrebbe migliorare diluendo la radiazione su una vela più grande, ma questo inevitabilmente ne aumenterebbe la massa (dati i requisiti di robustezza legati alla elevata pressione da sostenere) inficiando l’accelerazione dell’ astronave.

Questo sistema di propulsione presenta comunque molti vantaggi, tra cui quello di poter usufruire di una accelerazione costante, almeno fino alla massima distanza di focalizzazione (che può venire facilmente incrementata allontanando i laser tra di loro); le principali difficoltà sono legate all’accelerazione contenuta (dovuta alla piccola quantità di moto trasportata dai fotoni, rispetto alla loro energia) e all’impossibilità di invertire la spinta per decelerare in prossimità della destinazione. In realtà, un sistema per frenare ci sarebbe e consiste nell’uso di una seconda vela che riflette la radiazione inviata da terra e respinge così la prima vela e l’astronave ad essa agganciata. Naturalmente, questo implica un aumento della massa e una riduzione di efficienza del sistema; inoltre, a causa della pressione di radiazione sulla seconda vela (che è anche molto leggera perché priva di zavorre), questa si allontanerà molto rapidamente dall’astronave e anche il trucco di riconcentrare il fascio usando una forma concava funzionerebbe solo fino a una certa distanza…

Tali difficoltà si potrebbero scavalcare realizzando un sistema ibrido in cui la vela viene sfruttata per convertire la luce in energia elettrica, che a sua volta alimenta un motore a ioni; eventualmente, la vela potrebbe anche concentrare la luce su pannelli fotovoltaici ad alta efficienza, in modo da ridurne il peso. L’idea è stata proposta da R.Forward e Zubrin ha stimato che un sistema del genere potrebbe essere un ordine di grandezza più efficiente in termini di accelerazione (avvantaggiandosi comunque della pressione di radiazione durante la fase di accelerazione) e potrebbe facilmente invertire la spinta riorientando i motori.

Sempre Zubrin si è fatto promotore di una vela di tipo diverso, in gran parte vuota perché realizzata con campi magnetici generati da una raggiera di fili percorsi da corrente. L’idea è quella di creare una magnetosfera artificiale simile a quella che avvolge la terra, lasciando che venga spinta dal vento solare come avviene alla coda gassosa delle comete; oltre a poter accelerare efficacemente veicoli verso il sistema solare esterno, essa potrebbe venire sfruttata per frenare un’astronave che si avvicina ad un’altra stella, con un risparmio di carburante. Tuttavia, difficilmente si riuscirebbe ad arrestare un veicolo che si muove a velocità quasi relativistiche…

Conclusione: Nella progettazione di viaggi interstellari con equipaggio umano si pongono due problemi fondamentali: uno è legato all’enorme quantità di energia (e quindi in molti casi anche di combustibile) necessaria per raggiungere velocità elevate, possibilmente vicine a quelle della luce; l’altro problema riguarda i tempi comunque eccessivi per il viaggio.

Per far fronte al primo problema, è richiesto uno sforzo tecnologico e finanziario notevole, con la realizzazione di basi e infrastrutture nel sistema solare; le conoscenze attuali non sono sufficienti ma è probabile che la razza umana riesca ad acquisirle tra alcuni decenni (sempre che non ci si estingua prima!). Per la questione del tempo, non esistono vere soluzioni, a meno di non ricorrere ad alcuni espedienti tutti da dimostrare e che per ora appartengono più alla fantascienza che alla scienza; in ogni caso, è probabile che si debba rinunciare definitivamente al concetto tradizionale di “viaggio di andata e ritorno” poiché l’equipaggio finisce per perdere il nesso temporale con il pianeta di origine, qualunque sia la tecnica usata. In effetti a terra i tempi di attesa risultano comunque eccessivi, perlomeno con le aspettative di vita attuali; le cose cambierebbero se diventassimo quasi immortali o se si decidesse di mettere in “sospensione vitale” anche chi ha lavorato al progetto e i cari degli astronauti…

Sulla base di quanto detto, sorge l’interrogativo: ne vale la pena? In effetti, qualsiasi missione che parte, oltre a richiedere uno sforzo enorme, implica tempi lunghi o lunghissimi e rischia di essere sorpassata prima di arrivare a destinazione, sia da altri vascelli più evoluti, sia dai progressi dell’astronomia, che un giorno potrebbe arrivare a mostrarci in dettaglio una infinità di mondi senza doverci andare fisicamente!

La risposta a questi dubbi, probabilmente, non è del tutto razionale e potrebbe essere sintetizzata nella celebre immagine evocata da uno dei padri dell’ astronautica:

“La Terra è la culla dell’umanità, ma non si può sempre rimanere dentro una culla!”. K.E.Ciolkovskij

Note

(1) anche volendo ignorare questo limite, progettando viaggi “multi-generazionali” su enormi “astronavi-pianeta” oppure ricorrendo alla “sospensione vitale” dell’equipaggio (ibernazione, invio di embrioni, ecc.), ci sarebbe il problema dell’evoluzione tecnologica incalzante: un razzo lanciato molti decenni dopo, beneficiando di avanzamenti tecnologici, potrebbe superare quello inviato dalla precedente generazione, vanificandone lo sforzo!
(2) si assume un tempo di accelerazione+decelerazione di 4+4 mesi (accelerazione di 0,35g) e 4,25 anni per l’arrivo del segnale sulla terra. Il “tempo proprio” trascorso sull’ astronave sarebbe 3 mesi più corto a causa degli effetti relativistici.
(3) qui riporto (senza dimostrazione) solo la formula che lega distanza percorsa nel sistema di riferimento terrestre con il tempo proprio tp dell’ astronave:

D=c2/g(cosh(gtp/c)-1)

Nel caso di un viaggio che non sia un semplice “flyby” e che preveda una decelerazione con arrivo a destinazione, la formula si modifica nel modo seguente:

D=2c2/g(cosh(gtp/2c)-1)

Se infine il viaggio è di andata e ritorno, bisogna raddoppiare questo tempo e aggiungere la durata della permanenza a destinazione; il tempo trascorso a terra sarà maggiore ed è approssimative pari alla (distanza in anni luce+1) se si tratta di un flyby, il doppio se c’è decelerazione.

(4) Questa è la versione occidentale del nome, la traslitterazione più corretta è Ciolkovskij (citato anche a fine articolo). La formula, nel caso di velocità relativistiche, si modifica in:

Vf = c tanh(v/c ln(mi/mf))

(5) qui si è scelta la reazione di fusione più efficiente dal punto di vista energetico ma, secondo molti, la reazione più adatta è la fusione di idrogeno ed elio3 in elio4, che fornisce una spinta leggermente inferiore (ve=2600 km/s).

(6) ho assunto una efficienza di conversione energia-antimateria del 25%, di gran lunga superiore a quella oggi ottenibile negli acceleratori di particelle. 1 EWh = 1e15 kWh = 3,6e21 J = 850 Gton.

(7) La potenza liberata dipende dal tempo di annichilazione, presumibilmente compreso tra qualche microsecondo e qualche millisecondo; con un tempo di 210 microsecondi la potenza media risulta pari a quella solare. La comparsa di un “secondo sole” nel sistema solare interno per un tempo così breve non porrebbe particolari problemi termico/climatici alla Terra ma la qualità della radiazione emessa è ben diversa, essendo fortemente ionizzante (raggi gamma); da qui la necessità di prendere particolari precauzioni!

(8) non è opportuno utilizzare il punto L2 di un pianeta gigante perché troppo lontano dal pianeta (svariate decine di milioni di km) per avere una reale schermatura; in pratica, questa sarebbe garantita solo nei periodi di opposizione, lasciando peraltro esposti gli altri pianeti del sistema solare interno (qui ho deliberatamente ignorato l’effetto del moto di librazione attorno a L2, che complica ulteriormente il discorso).

(9) letteralmente una “vela a luce” o “vela fotonica”; la traduzione “vela solare”, spesso usata, oltre che scorretta risulta fuorviante nel caso di missioni interstellari che non sono spinte dalla luce del sole per ovvie ragioni…

(10) in effetti, utilizzando una luce laser, si potrebbe fare ricorso ad un trattamento multistrato sulla vela; il problema è che simili trattamenti, basati sulla interferenza costruttiva delle onde riflesse e utilizzati nei tubi laser, funzionano solo per una lunghezza d’onda ben definita e questo li rende inutilizzabili nel caso di una vela che accelera, poiché l’effetto Doppler dovuto alla velocità fa variare continuamente la lunghezza d’onda della radiazione ricevuta! Con le onde radio va decisamente meglio perché la frequenza emessa può essere variata più facilmente, correggendo lo spostamento Doppler…

Riferimenti e approfondimenti

  1. Home page del Programma Pioneer, su spaceprojects.arc.nasa.gov.
  2. Andrew J. Butrica, Voyager: The Grand Tour of Big Science, in Pamela E. Mack (a cura di), From Engineering Science To Big Science, NASA, 1998, ISBN 978-0-16-049640-0.
  3. NASA Voyager website, su voyager.jpl.nasa.gov.
  4. Interstellar mission, su voyager.jpl.nasa.gov.
  5. NASA Spacecraft Embarks on Historic Journey Into Interstellar Space, www.jpl.nasa.gov.
  6. NASA’s Voyager 2 Probe Enters Interstellar Space, su nasa.gov

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