spettacolare colpo streak è stato preso da Hangar AF su Cape Canaveral Air Force Station, con una nave di recupero razzo booster solido in primo piano. Per tutta la nostra storia sulla Terra, l’unico modo in cui abbiamo mai raggiunto lo spazio è attraverso l’uso di combustibili a base chimica.
NASA
Per tutto il tempo in cui gli esseri umani hanno osservato il cielo notturno, abbiamo sognato di visitare altri mondi e vedere veramente cosa c’è là fuori nell’Universo. Mentre i nostri razzi a base chimica ci hanno portato a una miriade di pianeti, lune e altri corpi nel Sistema solare, la navicella spaziale più lontana mai lanciata dall’umanità — Voyager 1 — è a soli 22,3 miliardi di chilometri (13,9 miliardi di miglia) dalla Terra: solo lo 0,056% della distanza dal sistema stellare più vicino conosciuto. Con la tecnologia attuale, ci vorrebbero quasi 100.000 anni per viaggiare in un altro sistema stellare.
Ma non c’è bisogno di limitarci a fare le cose nel modo in cui le stiamo facendo in questo momento. Con la giusta tecnologia, potremmo migliorare notevolmente quanto sia efficiente ottenere una massa di carico utile di grandi dimensioni, forse anche una che trasportasse gli umani a bordo, a distanze senza precedenti in tutto l’Universo. In particolare, ci sono quattro tecnologie che hanno il potenziale per portarci alle stelle in tempi molto più brevi. Ecco come.
test nel 1967. Questo razzo è alimentato dalla conversione di massa / energia, ed è sostenuto dalla famosa equazione E=mc^2. Anche se questo concetto non ha mai portato ad un razzo di successo, potrebbe essere il futuro dei viaggi spaziali interstellari.
ECF (Experimental Engine Cold Flow) experimental nuclear rocket engine, NASA, 1967
1.) L’opzione nucleare. A questo punto della storia umana, ogni razzo che abbiamo mai lanciato nello spazio ha una cosa in comune: è stato spinto da carburante a base chimica. Sì, il combustibile per razzi è un mix speciale di combustibili chimici progettato per massimizzare la spinta, ma la parte “combustibile chimico” è molto importante: afferma che le reazioni che lo alimentano si basano sul riarrangiamento dei legami tra vari atomi per fornire energia.
Questo è fondamentalmente limitante! Per un atomo, la stragrande maggioranza della sua massa è nel nucleo dell’atomo: 99,95%. Quando ci si impegna in una reazione chimica, gli elettroni che orbitano attorno agli atomi vengono riorganizzati, in genere rilasciando circa lo 0,0001% della massa totale degli atomi coinvolti nella forma di energia, tramite la famosa equazione di Einstein: E = mc2. Ciò significa che, per ogni 1 chilogrammo di carburante con cui carichi il tuo razzo, otterrai solo l’equivalente energetico di qualche parte nel campo da baseball di 1 milligrammo di massa dalla reazione.
Impianto sono il primo passo per aumentare l’energia dei raggi laser mentre si fanno strada verso la camera di destinazione. NIF ha recentemente raggiunto un colpo di 500 terawatt – 1.000 volte più potenza di quella utilizzata dagli Stati Uniti in qualsiasi istante nel tempo. La fusione nucleare è migliaia di volte più efficiente di qualsiasi reazione a base chimica.
Damien Jemison/LLNL
Ma se si è andato con un combustibile a base nucleare, quella storia cambia drasticamente. Invece di affidarsi a cambiare il modo in cui gli elettroni sono configurati e come gli atomi sono legati insieme, potresti rilasciare quantità relativamente enormi di energia alterando il modo in cui i nuclei atomici stessi sono legati l’uno all’altro. Quando si divide un atomo di uranio bombardandolo con un neutrone, emette un’enorme quantità di energia rispetto a qualsiasi reazione a base chimica: 1 chilogrammo di combustibile U-235 può rilasciare l’equivalente energetico di 911 milligrammi di massa, un fattore di ~1000 volte più efficiente dei combustibili a base chimica.
Se invece dovessimo padroneggiare la fusione nucleare, ad esempio con un sistema di fusione a confinamento inerziale in grado di fondere l’idrogeno in elio-la stessa reazione a catena che avviene nel Sole — potremmo diventare ancora più efficienti. La fusione di 1 chilogrammo di combustibile idrogeno in elio trasformerebbe 7,5 grammi di massa in energia pura, rendendolo quasi 10.000 volte più efficiente dei combustibili a base chimica.
La chiave è che saremmo in grado di ottenere le stesse accelerazioni per un razzo per periodi di tempo molto più lunghi: centinaia o addirittura migliaia di volte più a lungo, che ci permette di raggiungere velocità centinaia o migliaia di volte maggiore di razzi convenzionali raggiungere oggi. Potrebbe ridurre il tempo di viaggio interstellare a semplici secoli o forse addirittura decenni. È una strada promettente che potrebbe essere realizzabile, a seconda di come si sviluppa la tecnologia, prima di raggiungere l’anno 2100.
matrice laser che colpisce e accelera un veicolo spaziale a bassa massa relativamente grande. Questo ha il potenziale per accelerare gli oggetti non viventi a velocità che si avvicinano alla velocità della luce, rendendo possibile un viaggio interstellare all’interno di una singola vita umana.
© 2016 UCSB Experimental Cosmology Group
2.) Un array laser basato sullo spazio. Questa è stata l’idea principale alla base del concetto “Breakthrough Starshot” che ha guadagnato notorietà a pochi anni fa, e rimane un concetto emozionante. Mentre i veicoli spaziali convenzionali si basano sul portare il proprio carburante a bordo e spenderlo per auto-accelerare, l’idea chiave in gioco qui è che un grande array laser ad alta potenza fornirebbe la spinta necessaria a un veicolo spaziale esterno. In altre parole, la fonte della spinta sarebbe separata dal veicolo spaziale stesso.
Questo è un concetto affascinante e rivoluzionario in molti modi. La tecnologia laser sta diventando con successo non solo più potente, ma anche più altamente collimata, il che significa che se siamo in grado di progettare un materiale simile a una vela che potrebbe riflettere una percentuale abbastanza alta di quella luce laser, potremmo usare quell’esplosione laser per accelerare un veicolo spaziale a velocità tremende lontano dalla sorgente del nostro array. Un “amido” di massa di ~1 grammo potrebbe in teoria raggiungere ~20% della velocità della luce, il che gli consentirebbe di arrivare a Proxima Centauri, la nostra stella più vicina, in soli 22 anni.
astronave, ha il potenziale per accelerare un veicolo spaziale a circa il 20% della velocità della luce e raggiungere un’altra stella entro una vita umana. È possibile che, con abbastanza potenza, potremmo persino inviare un veicolo spaziale che trasporta l’equipaggio per coprire le distanze interstellari.
Breakthrough Starshot
Certo, dovremmo costruire un enorme array laser: circa 100 chilometri quadrati di laser, e dovremmo farlo nello spazio, ma questo è un problema di costi, non di scienza o tecnologia. Ma ci sono problemi tecnologici che devono essere superati perché questo funzioni, tra cui:
- non supportato vela inizierà a ruotare, e richiede una sorta di (non sviluppate) meccanismo di stabilizzazione
- il fatto che non c’è modo di rallentare una volta a destinazione, poiché non c’è nessun bordo, carburante,
- e anche se si potrebbe scalare in su per il trasporto di esseri umani, le accelerazioni che sarebbe troppo grande — si è reso necessario un grande cambiamento nella velocità, su un breve periodo di tempo — per un essere umano per sopravvivere.
Questa tecnologia potrebbe, forse, un giorno portarci alle stelle, ma un piano di successo per portare gli esseri umani fino a ~20% la velocità della luce non è ancora uscito.
da energia pura è una reazione completamente reversibile (a destra), con materia / antimateria che annichilisce di nuovo a energia pura. Sappiamo come creare e distruggere l’antimateria, usando la materia insieme ad essa per recuperare energia pura in una forma utilizzabile, come i fotoni.
Dmitri Pogosyan/Università di Alberta
3.) Combustibile antimateria. Se vogliamo portare il carburante con noi, potremmo anche renderlo il combustibile più efficiente possibile: annientamento della materia-antimateria. Piuttosto che combustibili a base chimica o addirittura nucleare, dove solo una parte della massa portata a bordo viene convertita in energia, un annientamento di materia-antimateria convertirebbe il 100% della massa di materia e antimateria in energia. Questo è il massimo in termini di efficienza per il carburante: la prospettiva di convertire tutto in energia che potrebbe essere utilizzata per la spinta.
La difficoltà arriva solo nella pratica, e in particolare, su tre fronti:
- la creazione di antimateria stabile e neutra,
- la capacità di isolarla lontano dalla materia normale e controllarla con precisione,
- e di produrla in quantità abbastanza grandi da poter essere utile per i viaggi interstellari.
Abbastanza eccitante, le prime due sfide sono già state superate.
le particelle cariche di antimateria sono riunite e possono formare ioni positivi, atomi neutri o ioni negativi, a seconda del numero di positroni che si legano con un antiprotone. Se riuscissimo a catturare e immagazzinare antimateria, rappresenterebbe una fonte di combustibile efficiente al 100%, ma molte tonnellate di antimateria, al contrario delle minuscole frazioni di grammo che abbiamo creato, sarebbero necessarie per un viaggio interstellare.
E. Siegel
Al CERN, sede del Large Hadron Collider, c’è un enorme complesso noto come “the antimatter factory”, dove almeno sei team separati stanno ricercando le varie proprietà dell’antimateria. Prendono antiprotoni e li rallentano, costringendo i positroni a legarsi con loro: creando anti-atomi o antimateria neutra.
Confinano questi anti-atomi in un recipiente con campi elettrici e magnetici alternati, che effettivamente li bloccano in posizione, lontano dalle pareti del contenitore che sono fatte di materia. A questo punto nel tempo, a metà del 2020, hanno isolato e mantenuto stabili più anti-atomi per quasi un’ora allo stesso tempo. Ad un certo punto nei prossimi anni, saranno abbastanza bravi in questo che saranno in grado di misurare, per la prima volta, se l’antimateria cade su o giù in un campo gravitazionale.
Non è necessariamente una tecnologia a breve termine, ma potrebbe finire per essere il nostro mezzo più veloce di viaggio interstellare di tutti: un razzo guidato dall’antimateria.
carburante, ma se un motore materia oscura sono stati creati, nuovo carburante è sempre da trovare semplicemente viaggiando attraverso la galassia. Poiché la materia oscura non interagisce con la materia normale (per lo più) ma passa attraverso di essa, non avresti alcuna difficoltà a raccoglierla in uno specifico volume di spazio; sarebbe sempre lì mentre ti muovi attraverso la galassia.
NASA/MSFC
4.) Un veicolo spaziale alimentato da materia oscura. Questo, certamente, si basa su un’ipotesi su qualsiasi particella sia responsabile della materia oscura: che si comporta come un bosone, rendendolo la sua antiparticella. In teoria, la materia oscura che è la sua antiparticella avrà una piccola ma non zero possibilità di annientare con qualsiasi altra particella di materia oscura con cui si scontra, rilasciando energia che potremmo potenzialmente sfruttare nel processo.
Ci sono alcune prove potenziali per questo, poiché non solo la Via Lattea ma anche altre galassie hanno un eccesso inspiegabile di raggi gamma provenienti dai loro centri galattici, dove la densità della materia oscura dovrebbe essere maggiore. È sempre possibile che ci sia una spiegazione astrofisica banale per questo-come le pulsar-ma è anche possibile che la materia oscura stia annientando con se stessa nei centri delle galassie, sollevando un’incredibile possibilità: un veicolo spaziale alimentato dalla materia oscura.
enorme alone di materia oscura diffusa, che indica che ci deve essere materia oscura che scorre attraverso il sistema solare. Anche se dobbiamo ancora rilevare direttamente la materia oscura, la sua abbondante presenza in tutta la nostra galassia e oltre potrebbe fornire una ricetta perfetta per il perfetto combustibile per razzi immaginabile.
Robert Caldwell & Marc Kamionkowski Natura 458, 587-589 (2009)
Il vantaggio di questo è che la materia oscura è letteralmente ovunque in tutta la galassia, il che significa che non avrebbe bisogno di prendere carburante con noi un viaggio, ovunque siamo andati. Invece, un “reattore” di materia oscura potrebbe semplicemente:
- prendere qualsiasi materia oscura sia passata al suo interno,
- o facilitare il suo annientamento o lasciarlo annientare naturalmente,
- e reindirizzare lo scarico per ottenere la spinta in qualsiasi direzione volessimo,
e potremmo controllare la dimensione e la grandezza del reattore per ottenere i risultati desiderati.
Senza la necessità di trasportare carburante a bordo, molti dei problemi dei viaggi spaziali guidati dalla propulsione diventerebbero non-problemi. Invece, saremmo in grado di realizzare l’ultimo sogno del viaggio: accelerazione costante illimitata. Dal punto di vista dell’astronave stessa, questo aprirebbe una delle possibilità più fantasiose di tutte, la capacità di raggiungere qualsiasi posizione nell’Universo entro una singola vita umana.
destinazione se accelera a una velocità costante della gravità della superficie terrestre. Si noti che, dato abbastanza tempo con un’accelerazione di 1g, è possibile raggiungere qualsiasi posizione nell’Universo entro una singola vita umana.
P. Fraundorf a Wikipedia
Se ci limitiamo alla tecnologia dei razzi attuali, ci vorranno decine di migliaia di anni — come minimo — per completare un viaggio dalla Terra al sistema solare più vicino al nostro. Ma enormi progressi nelle tecnologie di propulsione sono a portata di mano, e potrebbe ridurre quel viaggio all’interno di una singola vita umana. Se siamo in grado di padroneggiare l’uso del combustibile nucleare, di array laser spaceborne, di antimateria, o anche di materia oscura, potremmo realizzare il nostro sogno di diventare una civiltà spaziale senza invocare tecnologie di rottura fisica come warp drive.
Ci sono molteplici strade potenziali per trasformare ciò che è già stato dimostrato come scientificamente valido in una tecnologia di propulsione fattibile, praticabile e di prossima generazione. Entro la fine del secolo, è assolutamente possibile che un veicolo spaziale che non è stato ancora progettato supererà le missioni New Horizons, Pioneer e Voyager come gli oggetti più distanti dalla Terra. La scienza è già lì. Sta a noi guardare oltre i limiti delle nostre attuali tecnologie e portare a compimento questo sogno.
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