In un recente articolo ho parlato dell'ipotesi che 'Oumuamua non sia un asteroide interstellare ma un tipo di cometa molto esotica, nata da una nube molecolare e composta principalmente da idrogeno ghiacciato. L'articolo si concludeva con l'auspicio di riuscire a esplorarlo da vicino (oppure di osservare presto e meglio altri corpi di questo tipo). In effetti, qualunque sia la sua reale natura, 'Oumuamua meriterebbe di certo una visita da vicino!

 C'è però un problema in apparenza insormontabile: l'oggetto è già lontano, quasi alla distanza di Urano, e si sta allontanando molto rapidamente, oltre 28 km/s, più di qualsiasi manufatto lanciato dall'uomo! La sonda spaziale più veloce mai realizzata, Voyager-1, ha superato i 17 km/s solo dopo avere sfruttato il cosiddetto "effetto fionda" di Giove e Saturno. Per raggiungere 'Oumuamua in tempi ragionevoli ci vorrebbe una velocità almeno doppia e con i sistemi di propulsione e di navigazione tradizionali l'impresa appare impossibile... Eppure, ci sono all'orizzonte alcune possibilità tecnologiche e alcuni stratagemmi che potrebbero permetterci di realizzare davvero questa "missione impossibile", anche se si tratterebbe di soluzioni estreme, mai tentate prima.

 Esiste una organizzazione no-profit che appare seriamente intenzionata a raggiungere questo ed altri obiettivi ambiziosi, si tratta dell'inglese "Initiative for Interstellar Studies" (i4is) che, un po' sulla falsariga della storica "Planetary Society", si propone di rendere a breve concreti i viaggi interstellari, tramite lo sviluppo di tecnologie e idee innovative. Le strategie individuate per raggiungere l'obiettivo 'Oumuamua sono essenzialmente due, con sistemi di propulsione radicalmente diversi: quella delle ormai celebri "vele a luce" spinte dalla pressione di radiazione e quella della propulsione chimica assistita da manovre di "gravity assist" estremo, in particolare la cosiddetta manovra di Oberth, cui ho appena dedicato in un articolo di approfondimento.

I progetti iniziali

 Un primo studio, inizialmente pubblicato su ArXiv a fine 2017 ad opera di 7 studiosi associati a i4is, proponeva una serie di possibili missioni da lanciare nell'arco di soli 5-10 anni, una tempistica decisamente difficile da realizzare per ammissione degli stessi autori ed in seguito rivelatasi del tutto irrealistica! La principale opzione analizzata prevedeva il lancio di una piccola sonda da indirizzare prima verso Giove in 1,5 anni, per effettuare un gravity assist ravvicinato con accensione di grossi motori a combustibile solido. A quel punto la sonda, immessa su una traiettoria estremamente allungata e inclinata rispetto all'eclittica, si sarebbe avvicinata tantissimo al Sole, a soli 3 raggi solari (meno di quanto riuscirà a fare la Parker Solar Probe) per effettuare la manovra di Oberth con accensione di altri motori a propellente solido e lanciarsi verso 'Oumuamua, raggiungendola in un tempo complessivo di soli 8 anni. Per un lancio "ottimistico" nell'aprile 2021, la stima sul carico utile della sonda dopo le varie manovre va da 37 kg a circa 120 kg, a seconda del lanciatore usato (SLS o Falcon Heavy, rispettivamente); non molto per una sonda che deve essere in grado di fare osservazioni dettagliate e in poco tempo su un soggetto scarsamente illuminato e forse neanche troppo vicino al momento dell'approccio!

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Traiettoria studiata nel caso di doppio manovra di Oberth e "gravity assist" con Giove e Saturno (ingrandimento a destra) - Credits: Hein et al./ i4is

 Per aumentare la massa della sonda ad alcuni quintali, rendendo le sue capacità di indagine analoghe a quelle della sonda New Horizons, è necessario ricorrere ad un ulteriore fly-by con Saturno, dopo la manovra di Oberth; questo però implica un inevitabile aumento della durata della missione (28 anni in tutto). In alternativa, bisognerebbe ricorrere a un veicolo alimentato da un motore a ioni di nuova generazione come il NEXT della NASA, ma ci sarebbe il problema di come alimentarlo efficacemente a distanza elevata dal Sole, a meno di non illuminare i pannelli solari con un laser da 1 MW che invia energia concentrata dalla Terra.

 Questo primo studio procede considerando l'opzione di "vela solare" oppure di una "vela a luce" spinta da un laser. Nel primo caso, sfruttando la pressione di radiazione solare, la velocità finale di circa 55 km/s viene raggiunta attraverso una accelerazione massima di 9 mm/s2  su una vela di 1000 m2, con densità superficiale di σ = 1 g/m² ed un carico utile di un solo kg (pari alla massa della vela). Invece, l'uso di una batteria di laser installata in prossimità della Terra si rifà direttamente al progetto Starshot della "Breakdown Initiative" e prevede l'impiego di un sistema laser di alcuni MW per spingere uno sciame di nano-sonde di pochi grammi che però potrebbero condurre operazioni congiunte, rimediando in parte alla ridottissima massa.

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Lo sciame di nano-vele fotoniche in prossimità di 'Oumuamua. - Credits: Adrian Mann

 Il primo articolo accennava infine ad altre possibilità, come quella di utilizzare dei piccoli "Chipsat" nel campo magnetico di Giove e sfruttare la Forza di Lorentz per accelerarle a velocità altissima, anche 3000 km/s (1% della velocità della luce); tuttavia, sarebbe difficile controllarne la direzione di movimento. Si accenna inoltre alla possibilità di rallentare per studiare meglio l'obiettivo, attraverso la propulsione elettrica o con sistemi di frenamento più avveniristici che sfruttano il tenue mezzo interstellare oltre l'eliopausa, tramite vele magnetiche o elettriche; tuttavia, si tratta di tecnologie ancora in embrione e mai testate. In ogni caso, prima di poter fare decelerazioni o semplici manovre correttive, si rende necessario "avvistare" per tempo 'Oumuamua e questo richiede un telescopio a bordo della sonda, capace di avvistare l'obiettivo da 1 milione di km a 150 Unità Astronomiche dal Sole. In alternativa, uno sciame di nano-sonde, pur non potendo manovrare, sfrutterebbe l'intrinseca "ridondanza" nella speranza che almeno una di esse passi per caso abbastanza vicina a 'Oumuamua da poter effettuare osservazioni utili.

Spostamento in avanti

 Tre degli autori del primo articolo hanno poi ripreso in considerazione la missione verso 'Oumuamua, con uno scenario temporale più realistico, con un tempo sufficiente per progettarla e realizzarla.  

 Una possibile opzione prevede il lancio nel 2033 utilizzando sempre un flyby con spinta assistita nei pressi di Giove e una manovra di Oberth sul Sole, con un incremento totale di velocità pari a 18,2 km/s e un arrivo presso ’Oumuamua nel 2048. Di seguito, un diagramma ci mostra le "finestre di lancio" disponibili per questo tipo di missione; esse si ripetono all'incirca ogni 11 anni perché sono legate alla configurazione di Giove rispetto alla Terra e soprattutto rispetto ad 'Oumuamua, quindi riflettono il periodo di rivoluzione del pianeta gigante; se si dovesse mancare l'opportunità del 2033, bisognerebbe aspettare il 2045 oppure rassegnarsi ad usare più combustibile.

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Credits: Hibberd et al./ i4is

  Una variante più "economica" dal punto di vista del consumo di combustibile (Δv=15,3 km/s), anche se con durata maggiore rispetto allo schema precedente, è quella illustrata nell'immagine seguente.

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Credits: Hibberd et al./ i4is

 Come si vede, dopo il lancio nel 2030, la sonda dovrebbe effettuare una manovra "deep space" aggiuntiva e poi un gravity assist con la Terra prima di incontrare Giove. In tutte queste occasioni, i motori verrebbero sempre accesi ma con un consumo limitato di carburante; invece la spinta sostanziosa è quella legata alla manovra di Oberth con il Sole. L'arrivo in questo caso è per il 2052, per una durata complessiva di ben 22 anni che è inedita per una missione spaziale senza "estensioni" ma che è considerata comunque accettabile in questo caso. Inoltre, e questo è un dettaglio non indifferente, la distanza dal Sole durante la manovra di Oberth passa da 3 a 5 raggi solari, una sfida tecnologicamente più fattibile perché i valori di flusso solare scendono ad un livello confrontabile a quello cui verrà esposta  la "Parker Solar Probe" nei suoi passaggi al perielio finali.

 Gli autori prendono in considerazione anche missioni con traiettorioe più tradizionali, che non fanno ricorso alla manovra di Oberth vicino al Sole ma richiedono una partenza anticipata, una complessa coreografia di gravity assist e, soprattutto, un consumo maggiore di carburante. Ecco un paio di esempi:

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Missione che sfrutta un "gravity assist" con la Terra e due con Giove, oltre a una manovra "deep space" - Credits: Hibberd et al./ i4is

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La missione più complessa tra quelle prese in considerazione, con ben 7 "gravity assist" e una manovra "deep space" - Credits: Hibberd et al./ i4is

Le vele fotoniche

 Per concludere, un ultimo articolo più recente prende in considerazione una tecnologia completamente diversa, quella delle vele fotoniche spinte però da una sorgente laser a Terra e non nello spazio. Si tratta di una versione su scala ridotta dell'avveniristico progetto "Breakthrough Starshot" per l'invio di nano-sonde verso stelle a noi vicine. In questo caso, non ci sono particolari vincoli legati a finestre di lancio e le vele, rapidamente accelerate dalla pressione di radiazione fino a 300 km/s, raggiungerebbero 'Oumuamua in soli 440 giorni partendo nel 2030; per alcuni periodi dell'anno, a causa della posizione di 'Oumuamua e del moto della Terra, si renderebbe necessaria una manovra di tipo Oberth con passaggio a 3 raggi solari (figura qui in basso) ma è una complicazione tutto sommato inutile dato che si può evitare aspettando pochi mesi.

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Alcune delle possibili traiettorie delle vele, praticamente rettilinee grazie alla elevata velocità - Credits: Hibberd and Hein/i4is

 La potenza del laser installato varia da 3 a 29 GW, al variare della massa da accelerare da 1 a 100 kg. Si tratta di una potenza enorme, pari a quella di svariate centrali elettriche nucleari o termiche; in alternativa, per ricavarla ci vorrebbero svariate decine di km2 di pannelli solari! Il costo più grande è quello legato alla infrastruttura a Terra (da 450 milioni a 4,3 miliardi di dollari) ma esso verrebbe "ammortizzato" dall'utilizzo di tale infrastruttura su numerose altre missioni.

 Nei calcoli degli autori, il tempo dedicato ogni giorno al "beaming" (ovvero all'invio del fascio di luce) oscilla da 10 minuti a 4 ore e, dato che il tempo totale di accelerazione può andare da 14 ore a 4 giorni, questo implica che l'operazione di accelerazione è "spalmata" su un lasso temporale che va da 3,4 a 576 giorni; l'ultimo valore non ha molto senso, dato che è superiore al tempo previsto per l'intera missione e implicherebbe una spinta efficace anche quando le vele si trovino a svariate decine di unità astronomiche di distanza, cosa impossibile da realizzare a causa della dispersione del fascio. Se per questa fase imponiamo una durata ragionevole di 18 giorni, con una spinta che si protrae per 2 ore al giorno (non necessariamente consecutive), il tempo totale di spinta sarà ovviamente 36 ore e questo implicherà una accelerazione di 2,3 m/s2, imponendo una certa robustezza costruttiva nelle vele solari che altrimenti finirebbero per lacerarsi. Imponendo che la potenza effettiva inviata dal fascio laser sia dell'ordine di 10 GW e che le vele abbiano una massa complessiva di 10 kg, ho dedotto che solo il 35% della radiazione inviata viene effettivamente intercettata e sfruttata per l'accelerazione, mentre il resto presumibilmente cadrebbe nello spazio vuoto tra le vele oppure risulterebbe disperso in atmosfera o assorbito dalla vela (e poi riemesso in tutte le direzioni, senza fornire alcuna spinta utile). Tale percentuale è un valore medio, dato che con l'allontanarsi dalla Terra il fascio subirebbe anche il suddetto allargamento dovuto al fenomeno di diffrazione. In effetti, nell'arco di 18 giorni, le vele finirebbero per allontanarsi fino a 1,55 unità astronomiche dalla Terra (anche qualcosa di più, considerando una accelerazione leggermente decrescente con la distanza); per riuscire a mantenere collimato il fascio su un'area di pochi km2 a tale distanza, sarebbe necessario un angolo di diffrazione inferiore a 2 milli-secondi d'arco (ho assunto che i laser lavorino nel vicino infrarosso). Insomma, si dovrebbe allestire un apparato per certi versi di simile al telescopio gigante OWL, progettato qualche anno fa dall'ESO e mai realizzato per problemi di costi elevati e di tecnologie non ancora mature! Peraltro, non è chiaro quale possa essere l'impatto ambientale e micro-climatico di un simile sistema ad alta potenza... 

 Secondo gli autori, la limitazione della massa ridotta delle sonde, che rischierebbe di compromettere la capacità di fare misure e di trasmettere i dati a Terra da parte di un singolo veicolo, si potrebbe aggirare con uno "sciame" di sonde che lavorano in maniera "aggregata"; esse ad esempio potrebbero comportarsi come una singola "antenna a schiera di fase" per indirizzare e ricevere efficacemente i segnali radio da Terra, senza ricorrere ad ingombranti antenne paraboliche. Tuttavia, la possibilità di usare molte sonde per raccogliere informazioni esaustive su 'Oumuamua va a cozzare con il problema dell'incertezza sulla posizione dell'asteroide e con il fatto che solo pochissime sonde passeranno abbastanza vicino all'oggetto per studiarlo, a meno che non si riesca a manovrarle una volta giunte in vista dell'obiettivo, come dicevo a inizio articolo.

 In conclusione, per quanto affascinante, una missione spaziale verso 'Oumuamua pone delle sfide formidabili. Le tecnologie necessarie ad affrontarle vanno in parte create ma potrebbero rivelarsi utili su molti altri obiettivi, compresa la prima missione verso altre stelle!

 

Riferimenti: 
https://i4is.org/
https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1711/1711.03155.pdf
https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1902/1902.04935.pdf
https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2006/2006.03891.pdf