L’evoluzione del concetto di vela a propulsione laser

FOCAL Genta JBIS Landis Matloff Quasat vela irradiata Vulpetti Worden
la vela a propulsione laser (vela irradiata)

Se state seguendo su queste pagine e altrove le idee alla base del progetto Breakthrough Starshot avrete capito che si tratta di qualcosa di molto piccolo da un lato e molto grande da un altro. Una missione con una vela a propulsione laser (vela irradiata) impiegherebbe una vela di 4 metri per lato – più piccola rispetto a progetti precedenti – spinta da un’enorme batteria di laser, sincronizzati tra loro, installata a Terra. La batteria è progettata per misurare circa 1 km per lato e incorporerebbe degli emettitori laser che, lavorando in perfetta sincronia, produrrebbero quello che Pete Worden ha descritto alle conferenze di Palo Alto come una sorta di “vento laser” da 50 gigawatts di potenza. Worden, ex direttore dell’Ames Research Center della NASA, è l’attuale direttore esecutivo del Breakthrough Starshot.

Cosi come per la vela così per il carico. Non avremo a che fare con una nave spaziale su scala macroscopica, bensì con uno starchip delle dimensioni di un francobollo, una sorta di futuristico smartphone contenente non solo fotocamere, attrezzatura per le comunicazioni o strumenti per la navigazione, ma anche piccoli propulsori. Se volete immaginare qualcosa di simile prendete le tendenze nel campo della tecnologia digitale come la legge di Moore (la complessità di un microcircuito, misurata ad esempio tramite il numero di transistori per chip, raddoppia ogni 18 mesi e quadruplica quindi ogni 3 anni) e proiettatele nel futuro, poiché questo è un progetto di portata generazionale, che si propone di varare la missione effettiva in un arco minimo di 30 anni, a meno che gli studi di progetto non incontrino un’irrevocabile battuta d’arresto.

 

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La grande batteria laser in funzione

 

Le vele e le loro origini

Mentre Breakthrough Starshot comincia a organizzare e a lanciare il suo studio di fattibilità, sono andato a ricercarne le origini. Mi sono venute in mente diverse cose, la prima è il tipo di vela di cui parlò una volta Robert Forward. In precedenza parlai di Starshot come del “classico pensiero alla Bob Forward riadattato alla nostra nuova era” e penso che sia corretto. Considerato che Forward fu il primo a discutere della possibilità di puntare un fascio laser su una vela, il progetto ha tratto indubbiamente ispirazione da lui, portando però le sue idee in una direzione completamente nuova.

Quando parlai di Starshot a Phil Lubin (UC-Santa Barbara), questi mi ha citato un suo articolo chiamato Roadmap to Interstellar Flight il quale trae chiaramente spunto dal lavoro che egli è andato sviluppando per il NIAC (NASA Innovative Advanced Concepts), dal quale ha ottenuto nel 2015 un finanziamento. L’articolo in questione, presentato al Journal of the British Interplanetary Society (JBIS), utilizza anche un altro articolo che Lubin aveva scritto per lo JBIS chiamato Directed Energy for Relativistic Propulsion and Interstellar Communications. E il concept stesso dello Starchip si innesta sul lavoro di  Mason Peck Sprite: sonda spaziale ultraminiaturizzata  tuttora in corso alla Cornell University su un minuscolo veicolo chiamato sprite.

La vela ideata da Forward era tanto grande quanto è piccola quella del Breakthrough Starshot. Considerate questo: per l’articolo del 1984 aveva immaginato un veicolo pesante 80.000 tonnellate che sarebbe stato sospinto fino a metà della velocità della luce da una vela di 1.000 chilometri per lato. Una centrale di alimentazione posta nel sistema solare interno sarebbe stata in grado di generare una potenza di 75.000 TW (1 TW equivale a 1x1012 Watt) grazie ad un sistema laser, e il fascio avrebbe fatto affidamento su un’enorme lente di Fresnelposta nel Sistema Solare esterno in grado di concentrare il raggio sulla nave spaziale in partenza. Forward aveva anche immaginato una “vela a più stadi” che avrebbe consentito la decelerazione, il rendezvous e il ritorno del suo equipaggio sulla Terra.

 

 

Se siete interessati a quest’epoca e ai lavori che aveva prodotto dovete sapere che il  JBIS è stato negli anni ’80 una sede importante per le idee riguardanti le vele. È stato su questa rivista che Gregory Matloff pubblicò nel 1984 il suo articolo, in seguito divenuto un classico, intitolato Solar Sail Starships – The Clipper Ships of The Galaxy (JBIS 34, 371-380), seguito da una serie di altri articoli e divenuto infine il libro The Starflight Handbook (Wiley, 1989). In quest’ultimo c’è anche l’approvazione di Forward, che considero un classico tra le fascette pubblicitarie:

Non private il Sistema Solare di questo libro!

Matloff divenne uno dei massimi teorici sulla progettazione delle vele insieme a colui che Forward dichiarò espressamente suo successore, lo scrittore e fisico Geoffrey Landis, autore di Mission to the Gravitational Focus of the Sun che affronta i problemi relativi alla realizzazione del’idea base della missione FOCAL, in particolare per quanto riguarda la capacità di catturare immagini. Nel post Starshot and the Gravitational Lens abbiamo inoltre recentemente esaminato le idee di Claudio Maccone sull’utilizzo di FOCAL per le comunicazioni.

Capirete che quella che è in gioco è l’evoluzione tecnologica in grado di rendere possibili le nuove idee nel settore della ricerca spaziale. Del resto uno dei presupposti di Breakthrough Starshot è che proprio l’evoluzione tecnologica durante la “finestra” di 30 anni necessaria allo sviluppo del sistema permetterà di risolvere molti dei difficilissimi problemi che Starshot si troverà ad affrontare. E l’elenco, come abbiamo visto in post precedenti, è lungo, a partire da come ottenere che un’enorme batteria di laser sincronizzati riesca a mantenere la piccola vela bene a fuoco nel raggio dei laser per i due spaventosi minuti di accelerazione a 60.000 g. Per non dire di come far arrivare i dati sulla Terra.

 

 

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Parlare dell’uso della lente gravitazionale solare per le comunicazioni o per la cattura delle immagini fa tornare alla mente il ricco lascito di progetti sulle vele solari proveniente dai ricercatori italiani. La missione che utilizzerebbe una lente gravitazionale, chiamata FOCAL da Maccone, può far risalire le sue origini alla fine degli anni ‘80. Qui dovrei menzionare il Quasat, che fu concepito come un radiotelescopio orbitante attorno alla Terra, basato sulla tecnologia della vela gonfiabile.

L’idea del Quasat proviene dalla compagnia aerospaziale italiana Alenia Spazio. Gregory Matloff analizzò meticolosamente il concetto del Quasat in un articolo del 1994, proponendo una vela ad alta riflettività con una superficie di 10.000 metri quadrati e uno spessore di 2 micrometri, con uno strato di alluminio riflettente di 0,1 micrometro, in grado di trasportare 100 kg di carico. Adattata per la missione al fuoco gravitazionale, avrebbe potuto, grazie all’aiuto della fionda gravitazionale del Sole e forse anche di quella di Giove, raggiungere il suo bersaglio a una distanza di 550 UA (unità astronomiche) in circa 60 anni.
Una missione al fuoco gravitazionale è ancor oggi piuttosto difficile da prospettare e lo era ancora di più nei primi anni ’90. Questa è una delle ragioni per cui l’interesse del team europeo coinvolto nel Quasat e in altri lavori sulle vele si spostò su un progetto chiamato Aurora,  presentato nel 1993 a Graz in Austria nel corso dell’International Astronautical Congress. Il team era guidato da Giovanni Vulpetti e includeva sia Claudio Maccone che l’ingegnere e autore italiano Giancarlo Genta. Il progetto si rivelò un terreno particolarmente fertile che portò a una produzione di quindici articoli e presentazioni presso le agenzie spaziali europee.

 

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Eliopausa

Quella che sarebbe stata conosciuta come Aurora Collaboration progettò una vela sottilissima di 250 metri per lato in grado di spingersi fino all’eliopausa e oltre ad una velocità pari a tre volte quella delle sonde Voyagers. I problemi affrontati erano numerosi, come spiegato in Solar Sails: A Novel Approach to Interplanetary Travel (Springer, 2008) scritto da Vulpetti, Les Johnson and Greg Matloff:

  • Considerare una propulsione SPS per una esplorazione extra solare realistica

  • Investigare i tipi di missione e le relative implicazioni tecnologiche per ridurre significativamente il tempo di volo dalla partenza all’ obbiettivo

  • Analizzare i profili di volo

  • Dimensionare i principali sistemi della vela spaziale per una missione dimostrativa da proporre alle agenzie spaziali.

In un periodo di 6 anni, terminato nel 2000, la Aurora Collaboration ha potuto analizzare i sistemi di telecomunicazioni, le proprietà ottiche delle vele, le loro traiettorie ottimizzate fino alla lente gravitazionale, diverse opzioni per le comunicazioni e i modi per ridurre lo spessore della vela. Si è trattato di un’iniziativa completamente indipendente, resa possibile dal contributo volontario dei migliori scienziati nel settore della progettazione delle vele, che avrebbe avuto in seguito ricadute sugli studi della NASA preliminari alle missioni interstellari e sulla sonda europea ESA/ESTEC diretta verso l’eliopausa.

 

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Ikaros

 

Sto pensando oggi ad Aurora soprattutto perché ho appena saputo da Giovanni Vulpetti che egli ha reso disponibili una serie di file delle sue recenti lezioni all’università di Roma. Date un’occhiata al sito di Astrodinamica e Propulsione del dottor Vulpetti e cliccate su “Lectures” per vedere oltre 400 diapositive sulle traiettorie delle vele spaziali, calcoli sulla spinta, fotonica solare, flussi di plasma e molto altro. Chi fosse interessato a investigare gli aspetti tecnici delle diverse configurazioni delle vele, incluse le vele magnetiche, avrà a disposizione moltissimo materiale su cui lavorare. Cercando bene nel sito potrete inoltre trovare l’articolo di Vulpetti  Problems and Perspectives in Interstellar Exploration, ora interamente disponibile online.

Vedere l’attuale dispiegamento nello spazio di vele come IKAROS dev’essere una grande soddisfazione per gli scienziati che ne svilupparono i concetti chiave. Oggi il loro lavoro viene nuovamente studiato mentre si cerca il modo per continuare a ridurre le dimensioni e lo spessore delle vele, e ci si interroga sul modo migliore per far arrivare un raggio propulsivo su una vela per accelerarla fino a una buona percentuale della velocità della luce. Breakthrough Starshot continua a portare avanti questo processo lanciando il suo studio di fattibilità, e nel farlo trae ispirazione dalla ricca storia degli studi al servizio delle vele spaziali.

Titolo originale: Beamed Sail Concepts Over Time
di PAUL GILSTER, pubblicato su Centauri Dreams il 9 maggio 2016

 

Traduzione di CARLO ALBERTO RASONI
editing di DONATELLA LEVI e ROBERTO FLAIBANI

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