- Parte 2 -
Ad un certo punto della nostra vita, ognuno di noi si è posto questa domanda: quanto tempo per volare verso le stelle? È possibile compiere un tale volo in una vita umana, tali voli possono diventare la norma della vita quotidiana? Ci sono molte risposte a questa difficile domanda, a seconda di chi lo sta chiedendo. Alcuni sono semplici, altri sono più difficili. Per trovare una risposta definitiva, ci sono troppe cose da considerare.
Sfortunatamente, non esistono stime reali che aiuterebbero a trovare una risposta del genere, e questo frustra i futuristi e gli appassionati di viaggi interstellari. Che ci piaccia o no, lo spazio è molto ampio (e complesso) e la nostra tecnologia è ancora limitata. Ma se mai decidessimo di lasciare il nostro "nido domestico", avremo diversi modi per raggiungere il sistema stellare più vicino nella nostra galassia.
La stella più vicina alla nostra Terra è il Sole, una stella abbastanza "media" secondo lo schema della "sequenza principale" di Hertzsprung-Russell. Ciò significa che la stella è molto stabile e fornisce abbastanza luce solare per lo sviluppo della vita sul nostro pianeta. Sappiamo che altri pianeti ruotano attorno alle stelle vicino al nostro sistema solare e molte di queste stelle sono simili alle nostre.
Possibili mondi abitabili nell'Universo
In futuro, se l'umanità desidera lasciare il sistema solare, avremo una vasta selezione di stelle a cui potremmo andare, e molte di loro potrebbero avere condizioni favorevoli per la vita. Ma dove stiamo andando e quanto tempo ci vorrà per arrivarci? Tieni presente che questa è tutta speculazione e non ci sono punti di riferimento per i viaggi interstellari in questo momento. Bene, come ha detto Gagarin, andiamo! Video promozionale:
Raggiungi la stella
Come già notato, la stella più vicina al nostro sistema solare è Proxima Centauri, e quindi ha molto senso iniziare a pianificare una missione interstellare con essa. Proxima, parte del sistema stellare triplo di Alpha Centauri, si trova a 4,24 anni luce (1,3 parsec) dalla Terra. Alpha Centauri è, infatti, la stella più brillante delle tre del sistema, parte di un sistema binario chiuso a 4,37 anni luce dalla Terra, mentre Proxima Centauri (la più debole delle tre) è una nana rossa isolata a 0,13 anni luce di distanza. da un doppio sistema.
E mentre le conversazioni sui viaggi interstellari suggeriscono tutti i tipi di viaggi più veloci della luce (FAS), dalle velocità di curvatura ai wormhole ai motori subspaziali, tali teorie sono o altamente fittizie (come il motore di Alcubierre) o esistono solo nella fantascienza. … Qualsiasi missione nello spazio profondo si estenderà su generazioni di persone.
Quindi, a partire da una delle forme più lente di viaggio spaziale, quanto tempo ci vuole per arrivare a Proxima Centauri?
Metodi moderni
La questione della stima della durata del viaggio nello spazio è molto più semplice se sono coinvolti le tecnologie e gli organismi esistenti nel nostro sistema solare. Ad esempio, utilizzando la tecnologia utilizzata dalla missione New Horizons, 16 motori monocarburante idrazina, è possibile raggiungere la Luna in sole 8 ore e 35 minuti.
C'è anche la missione SMART-1 dell'Agenzia spaziale europea, che è stata spinta verso la Luna utilizzando la spinta ionica. Con questa tecnologia rivoluzionaria, una variante della quale la sonda spaziale Dawn ha utilizzato anche per raggiungere Vesta, la missione SMART-1 ha impiegato un anno, un mese e due settimane per raggiungere la luna.
Da una veloce navicella spaziale a un economico motore ionico, abbiamo un paio di opzioni per spostarti nello spazio locale, in più potresti usare Giove o Saturno come una gigantesca fionda gravitazionale. Tuttavia, se intendiamo andare un po 'oltre, dovremo aumentare la potenza della tecnologia ed esplorare nuove possibilità.
Quando parliamo di metodi possibili, parliamo di quelli che coinvolgono tecnologie esistenti, o di quelli che ancora non esistono, ma che sono tecnicamente fattibili. Alcuni di loro, come vedrai, sono testati e confermati nel tempo, mentre altri sono ancora in discussione. In breve, rappresentano uno scenario di viaggio possibile, ma molto lungo e costoso, anche fino alla stella più vicina.
Movimento ionico
Attualmente, la forma di motore più lenta ed economica è il motore a ioni. Diversi decenni fa, la propulsione ionica era considerata oggetto di fantascienza. Ma negli ultimi anni, le tecnologie di supporto alla propulsione ionica sono passate dalla teoria alla pratica e con grande successo. La missione SMART-1 dell'Agenzia spaziale europea è un esempio di una missione riuscita sulla Luna in 13 mesi di movimento a spirale dalla Terra.
SMART-1 utilizzava propulsori a ioni solari, in cui l'elettricità veniva raccolta da pannelli solari e utilizzata per alimentare propulsori ad effetto Hall. Ci sono voluti solo 82 chilogrammi di carburante allo xeno per portare lo SMART-1 sulla luna. 1 chilogrammo di carburante allo xeno fornisce un delta-V di 45 m / s. Questa è una forma di movimento estremamente efficace, ma tutt'altro che veloce.
Una delle prime missioni a utilizzare la tecnologia di propulsione ionica è stata la missione Deep Space 1 sulla cometa Borrelli nel 1998. Il DS1 utilizzava anche un motore a ioni di xeno e consumava 81,5 kg di carburante. Per 20 mesi di spinta, DS1 ha sviluppato velocità di 56.000 km / h al momento del passaggio della cometa.
I motori a ioni sono più economici delle tecnologie a razzo perché la loro spinta per unità di massa di carburante per missili (impulso specifico) è molto più alta. Ma i propulsori ionici impiegano molto tempo per accelerare un veicolo spaziale a velocità significative e la velocità massima dipende dal supporto del carburante e dalla generazione di energia.
Pertanto, se la propulsione ionica viene utilizzata in una missione a Proxima Centauri, i motori devono avere una potente fonte di energia (energia nucleare) e grandi riserve di carburante (anche se inferiori ai razzi convenzionali). Ma se parti dal presupposto che 81,5 kg di xeno si traducano in 56.000 km / h (e non ci saranno altre forme di movimento), puoi fare dei calcoli.
A una velocità massima di 56.000 km / h, Deep Space 1 impiegherebbe 81.000 anni per viaggiare per 4,24 anni luce tra la Terra e Proxima Centauri. Nel tempo, si tratta di circa 2700 generazioni di persone. Si può affermare con certezza che la spinta ionica interplanetaria sarà troppo lenta per una missione interstellare con equipaggio.
Ma se i propulsori ionici sono più grandi e più potenti (cioè, il tasso di uscita degli ioni sarà significativamente più alto), se c'è abbastanza carburante per razzi, che è sufficiente per tutti i 4,24 anni luce, il tempo di viaggio sarà notevolmente ridotto. Ma comunque ci sarà molto più lungo del periodo della vita umana.
Manovra di gravità
Il modo più veloce per viaggiare nello spazio è utilizzare l'assistenza gravitazionale. Questo metodo prevede che il veicolo spaziale utilizzi il movimento relativo (cioè l'orbita) e la gravità del pianeta per alterarne il percorso e la velocità. Le manovre gravitazionali sono una tecnica estremamente utile per il volo spaziale, specialmente quando si utilizza la Terra o un altro pianeta enorme (come un gigante gassoso) per l'accelerazione.
La sonda Mariner 10 è stata la prima a utilizzare questo metodo, utilizzando l'attrazione gravitazionale di Venere per accelerare verso Mercurio nel febbraio 1974. Negli anni '80, la sonda Voyager 1 utilizzava Saturno e Giove per manovre gravitazionali e accelerazioni fino a 60.000 km / h, seguite da un'uscita nello spazio interstellare.
La missione Helios 2, iniziata nel 1976, avrebbe dovuto esplorare l'ambiente interplanetario tra 0,3 UA. e. e 1 a. Cioè, dal Sole, vale il record per la velocità massima sviluppata utilizzando una manovra gravitazionale. A quel tempo, Helios 1 (lanciato nel 1974) e Helios 2 deteneva il record per l'approccio più vicino al Sole. Helios 2 è stato lanciato da un razzo convenzionale e messo in un'orbita molto allungata.
A causa della grande eccentricità (0,54) dell'orbita solare di 190 giorni, al perielio Helios 2 è riuscito a raggiungere una velocità massima di oltre 240.000 km / h. Questa velocità orbitale è stata sviluppata solo dall'attrazione gravitazionale del Sole. Tecnicamente, la velocità del perielio di Helios 2 non era il risultato di una manovra gravitazionale, ma la massima velocità orbitale, ma il dispositivo detiene ancora il record per l'oggetto artificiale più veloce.
Se la Voyager 1 si stesse muovendo verso la nana rossa Proxima Centauri a una velocità costante di 60.000 km / h, ci vorrebbero 76.000 anni (o più di 2.500 generazioni) per coprire quella distanza. Ma se la sonda raggiungesse la velocità record di Helios 2 - una velocità costante di 240.000 km / h - ci vorrebbero 19.000 anni (o più di 600 generazioni) per percorrere 4.243 anni luce. Molto meglio, anche se non quasi pratico.
Motore elettromagnetico EM Drive
Un altro metodo proposto per il viaggio interstellare è un motore a radiofrequenza a cavità risonante, noto anche come EM Drive. Proposto nel 2001 da Roger Scheuer, uno scienziato britannico che ha creato Satellite Propulsion Research Ltd (SPR) per implementare il progetto, il motore si basa sull'idea che le cavità elettromagnetiche a microonde possono convertire direttamente l'elettricità in spinta.
Mentre i tradizionali motori elettromagnetici sono progettati per spingere una massa specifica (come le particelle ionizzate), questo particolare sistema di propulsione non dipende dalla reazione della massa e non emette radiazioni direzionali. In generale, questo motore è stato accolto con una discreta dose di scetticismo in gran parte perché viola la legge di conservazione della quantità di moto, secondo la quale la quantità di moto del sistema rimane costante e non può essere creata o distrutta, ma modificata solo sotto l'azione della forza.
Tuttavia, recenti esperimenti con questa tecnologia hanno chiaramente portato a risultati positivi. Nel luglio 2014, alla 50a conferenza congiunta di propulsione AIAA / ASME / SAE / ASEE a Cleveland, Ohio, gli scienziati avanzati della NASA hanno annunciato di aver testato con successo un nuovo progetto di motore elettromagnetico.
Nell'aprile 2015, gli scienziati della NASA Eagleworks (parte del Johnson Space Center) hanno affermato di aver testato con successo il motore nel vuoto, il che potrebbe indicare una possibile applicazione nello spazio. Nel luglio dello stesso anno, un gruppo di scienziati della Divisione Sistemi Spaziali dell'Università di Tecnologia di Dresda sviluppò la propria versione del motore e osservò una spinta tangibile.
Nel 2010, la professoressa Zhuang Yang della Northwestern Polytechnic University di Xi'an, in Cina, ha iniziato a pubblicare una serie di articoli sulla sua ricerca sulla tecnologia EM Drive. Nel 2012 ha registrato un'elevata potenza in ingresso (2,5 kW) e una spinta fissa di 720 mn. Nel 2014, ha anche condotto test approfonditi, comprese misurazioni della temperatura interna con termocoppie incorporate, che hanno dimostrato che il sistema funzionava.
Secondo i calcoli basati sul prototipo della NASA (a cui è stata assegnata una potenza nominale di 0,4 N / kilowatt), un veicolo spaziale a propulsione elettromagnetica può fare un viaggio su Plutone in meno di 18 mesi. Questo è sei volte inferiore a quanto richiesto dalla sonda New Horizons, che si muoveva a una velocità di 58.000 km / h.
Sembra impressionante. Ma anche in questo caso, la nave su motori elettromagnetici volerà su Proxima Centauri per 13.000 anni. Vicino, ma ancora non abbastanza. Inoltre, fino a quando tutti i punti non saranno punteggiati in questa tecnologia, è troppo presto per parlare del suo utilizzo.
Propulsione nucleare termica e nucleare elettrica
Un'altra possibilità per effettuare un volo interstellare è quella di utilizzare un veicolo spaziale dotato di motori nucleari. La NASA ha studiato queste opzioni per decenni. Un razzo a propulsione termica nucleare potrebbe utilizzare reattori all'uranio o al deuterio per riscaldare l'idrogeno nel reattore, convertendolo in gas ionizzato (plasma di idrogeno), che verrebbe quindi diretto nell'ugello del razzo, generando spinta.
Un razzo a propulsione nucleare include lo stesso reattore, che converte calore ed energia in elettricità, che quindi alimenta il motore elettrico. In entrambi i casi, il razzo si baserà sulla fusione nucleare o sulla fissione nucleare per creare spinta, piuttosto che sul combustibile chimico su cui operano tutte le moderne agenzie spaziali.
Rispetto ai motori chimici, i motori nucleari hanno innegabili vantaggi. In primo luogo, è una densità di energia praticamente illimitata rispetto al carburante per missili. Inoltre, il motore nucleare genererà anche più spinta rispetto alla quantità di carburante utilizzato. Ciò ridurrà la quantità di carburante richiesta e allo stesso tempo il peso e il costo di un particolare apparecchio.
Sebbene i motori termici nucleari non siano ancora entrati nello spazio, i loro prototipi sono stati creati e testati e ne sono stati proposti molti altri.
Eppure, nonostante i vantaggi in termini di risparmio di carburante e impulso specifico, il meglio dei concetti di motore termico nucleare proposti ha un impulso specifico massimo di 5000 secondi (50 kN / kg). Utilizzando motori nucleari alimentati da fissione o fusione nucleare, gli scienziati della NASA potrebbero consegnare un veicolo spaziale su Marte in soli 90 giorni se il pianeta rosso si trova a 55.000.000 di chilometri dalla Terra.
Ma quando si tratta di viaggiare a Proxima Centauri, un razzo nucleare impiegherà secoli per accelerare fino a una frazione significativa della velocità della luce. Poi ci vorranno diversi decenni di cammino, e dopo di loro molti altri secoli di inibizione sulla strada verso la meta. Siamo ancora a 1000 anni dalla nostra destinazione. Ciò che è buono per le missioni interplanetarie, non così buono per le missioni interstellari.
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