Giovedì 8 Dicembre 2016
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ExoMars riprende Fobos

Come era stato preannunciato, la sonda Trace Gas Orbiter (TGO), della missione congiunta ESA/Roscosmos ExoMars, ha ripreso la luna di Marte, Fobos, durante la sua seconda orbita di scienza.La navicella, arrivata su Marte il 19 ottobre 2016 è stata inserita in un'orbita altamente ellittica di 4,2 giorni, tra i 230 / 310 ed i 98.000 chilometri sopra la superficie. Leggi tutto

Viaggi interstellari

Rappresentazione artistica del "Collettore di Bussard", un'astronave che raccoglie idrogeno interstellare per rifornire il motore a fusione nucleare
Rappresentazione artistica del "Collettore di Bussard", un'astronave che raccoglie idrogeno interstellare per rifornire il motore a fusione nucleare Di NASA - http://nix.ksc.nasa.gov/info?id=MSFC-9906399&orgid=11, Pubblico dominio, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=449623

La possibilità di muoversi tra le stelle ha sempre affascinato l'umanità ma è davvero possibile farlo e a che prezzo?

 
Lo spazio è vasto. Veramente vasto. Non riuscireste mai a credere
quanto enormemente incredibilmente spaventosamente vasto esso sia.
Voglio dire, magari voi pensate che sia un bel tratto di strada andare
fino alla vostra farmacia, ma quel tratto di strada è una bazzecola in
confronto allo spazio. Ascoltate...
[Douglas Adams, "guida galattica per gli autostoppisti" (The Hitch–Hikers Guide To The Galaxy)]

 

Introduzione

 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. Per i dettagli matematici di questo moto con "accelerazione propria costante", detto anche "moto iperbolico" per l'utilizzo di funzioni iperboliche, si rimanda a Wikipedia (3).

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 1,4E-11
Razzo a bipropellente (H/O) 4,4 1,1E-10
Motore a ioni 29 4,7E-09
Motore magnetoplasma(VASIMIR) 30-120 (0,5-8)E-8
Motore ioni a 2 stadi / 4 griglie elettrostatiche 210 2,5E-07
Motore a Fissione (U235) 13000 0,001
Motore a Fusione (2H -> He) 36000 0,0071
Materia-Antimateria 300000 1 (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!).
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 ironizzare 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.
Limiti dell'idea
  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 in energia elettrica (oppure per concentrare la luce verso pannelli fotovoltaici ad alta efficienza) che alimentano un motore a ioni, come proposto da R.Forward. 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
- https://it.wikipedia.org/wiki/Viaggio_interstellare
- https://en.wikipedia.org/wiki/Space_travel_using_constant_acceleration

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

Sito web: https://www.facebook.com/marco.lorenzo.58
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Altri articoli di Marco Di Lorenzo (DILO)

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2 commenti

  • Link al commento Marco Di Lorenzo (DILO) Sabato, 06 Agosto 2016 07:41 inviato da Marco Di Lorenzo (DILO)

    Grazie, contento che ti sia piaciuto. L'articolo voleva essere uno spunto per riflessioni ed eventuali approfondimenti da parte dei lettori (l'argomento è vastissimo!), inoltre spero di avere comunicato un "senso di vertigine" legato alle immense distanze da coprire...

  • Link al commento spleen Venerdì, 05 Agosto 2016 19:48 inviato da spleen

    Ottimo articolo, complimenti. Non avevo pensato che un eventuale equipaggio avesse una vita cosi lunga

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Dawn ha quasi completato l'ascesa

Domani la sonda intorno a Cerere raggiungerà un'orbita più alta ed ellittica per poter caratterizzare i raggi cosmici che disturba...

29-11-2016 ExoMars 2016

ExoMars: TGO invia le prime immagini dall'orbita di Marte

Il Trace Gas Orbiter (TGO), della missione congiunta ESA/Roscosmos ExoMars, ha acceso per la prima volta i suoi strumenti scientif...

Rubriche

30-11-2016 Approfondimenti

Asteroide 2016 WJ1: fino a che punto è una minaccia?

Questo asteroide NEO/PHA ha raggiunto nei giorni scorsi il primo livello di pericolosità nella scala di Torino, il che non avviene...

13-11-2016 Angolo degli Astrofili

14 novembre 2016: arriva la super Superluna

Il 14 novembre sarà una giornata speciale: non solo la mia piccola stella (Sofia Vega) compirà un mese ma il cielo offrirà spettac...

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