I razzi convenzionali sono bloccati in un paradosso. Hai bisogno di carburante per muoverti. Il carburante ha un peso. Il peso ha bisogno di più carburante per essere sollevato. È un ciclo che ci limita al sistema solare interno e fa sembrare i viaggi interstellari fantascienza.
E se non dovessi portare avanti il tuo slancio?
Una nuova recensione pubblicata su Acta Astronautica esamina le tecnologie di viaggio spaziale senza propellente che ignorano questo vincolo. Invece di bruciare sostanze chimiche, questi veicoli spaziali rubano slancio al loro ambiente. Pianeti. Luce solare. Particelle cariche. Non portano il fuoco. Fanno semplicemente surf.
Ecco come potremmo lasciare la Terra alle spalle senza trascinare nel vuoto serbatoi di idrazina.
Assistenti gravitazionali: tempi di scambio di carburante
Sappiamo già come ingannare l’equazione del razzo. Si chiama assistenza gravitazionale.
Gli ingegneri inviano una sonda che sorvola un pianeta con un angolo preciso. La navicella spaziale si immerge nel pozzo gravitazionale del pianeta e vi gira attorno. Intrappola una piccola parte della velocità orbitale del pianeta. Il pianeta perde energia trascurabile. La sonda riceve un enorme impulso.
Voyager 1 e 2 hanno fatto questo. Colpiscono Giove. Poi Saturno. Urano. Nettuno. Nessun carburante bruciato per questi importanti aumenti di velocità. Solo fisica e tempismo.
Il problema? I pianeti non si allineano per te.
Gli assistenti gravitazionali sono un affare una tantum. Hai bisogno di una finestra specifica. Perdi la data di lancio e perdi la spinta. Non puoi semplicemente puntare un velivolo assistito dalla gravità dove vuoi. I percorsi sono rigidi. Raro. Restritivo.
Vele solari: spinte dai fotoni
Se la gravità è troppo esigente, prova la luce solare.
La propulsione di veicoli spaziali senza propellente utilizzando vele solari è passata dalla teoria alla realtà. La missione IKAROS del Giappone nel 2010 lo ha dimostrato. La sonda ha dispiegato un’enorme membrana. La luce del sole lo colpì. Fotoni riflessi. Il riflesso creava pressione. Spingere.
Non è una grande spinta. È continuo. Nessun consumo di carburante. IKAROS è arrivato su Venere.
Le vele solari hanno però dei difetti. Il materiale è enorme e sottile. Pensa sottile. L’impatto di un micrometeoroide potrebbe squarciare il motore. E c’è un altro problema: la distanza. La luce solare svanisce con il quadrato della distanza dalla sorgente. Se ti allontani abbastanza, la tua vela diventerà un aquilone nella brezza. La spinta svanisce.
Vele magnetiche: deviano il vento solare
I fotoni sono deboli. E le particelle?
Il Sole emette un flusso di plasma carico chiamato vento solare. Le vele magnetiche pianificano di catturarlo. Invece di uno specchio fisico, usano un circuito superconduttore per creare una bolla magnetica. Le particelle cariche nel vento colpiscono la bolla. Deviano. La conservazione della quantità di moto dà una spinta alla vela.
Sembra meglio delle vele solari. Non si basa sulla riflessione. Non si degraderà allo stesso modo a causa dei danni UV o degli impatti della polvere. In teoria funziona più lontano dal Sole.
Allora perché non ne abbiamo costruito uno?
La dimensione. Il circuito superconduttore avrebbe bisogno di un raggio fino a 50 chilometri. Cinquanta chilometri. Di filo superconduttore. Questo deve rimanere congelato a temperature criogeniche nello spazio. Non possiamo produrlo. Non possiamo distribuirlo. Non possiamo raffreddarlo.
Vele elettriche: l’opzione magnetica più economica
I campi magnetici sono pesanti e costosi. La carica è più leggera.
Una vela elettrica (E-sail) utilizza fili lunghi e carichi. In genere decine di chilometri di cavi. I fili respingono i protoni del vento solare. È come un modello di elettricità statica di una vela magnetica.
Il vantaggio è la massa. Non sono necessari circuiti superconduttori pesanti. Hai solo bisogno di un filo conduttivo leggero.
Lo svantaggio è la potenza e la fragilità. È necessaria una tensione sufficiente per mantenere il campo elettrico per quelle decine di chilometri. I fili sono fragili. Una collisione con detriti spaziali li fa scattare. Se il circuito si interrompe, smetti di muoverti.
Ciascuna tecnologia baratta la complessità ingegneristica con l’accesso all’energia gratuita nel vuoto.
Quale metodo di propulsione è adatto a te?
Non c’è nessun vincitore qui. Ancora.
La scelta dipende dalla missione. Hai bisogno di un salto veloce su Marte utilizzando la tecnologia esistente? Usa razzi chimici con assistenza gravitazionale. Vuoi un viaggio economico e costante verso un oggetto della cintura di asteroidi? Magari una vela solare, se riesci a costruire lo specchio.
Guardando più lontano? Il sistema solare esterno è buio e freddo. Stallo delle vele solari. Hai bisogno del vento solare. Ma le vele magnetiche richiedono una tecnologia che non abbiamo inventato. Le vele elettriche sono plausibili ma non testate su larga scala.
I concetti di volo spaziale senza propellente mettono in discussione il presupposto che per partire sia necessario bruciare. Costringono gli ingegneri a pensare alle strutture come sistemi di propulsione. Enorme. Fragile. Elegante.
La revisione suggerisce di considerarli non come alternative, ma come uno strumento. Usa la gravità per il sollevamento pesante. Vele per la navigazione costiera.
Le stelle sono ancora lontane. Ma forse non abbiamo bisogno di più carburante per arrivarci. Abbiamo solo bisogno di reti più grandi per catturare la luce.
O il vento.
Chi lo sa? Siamo ancora a terra.
