RAGGIUNGERE LE STELLE. BASTEREBBE UN PO' DI...ENERGIA!

Andrea
13 févr. 2023
11 min de lecture

Dernière mise à jour : 15 févr. 2023

Cosa potrebbe rendere possibile la chimera del viaggio interstellare?

Il video propone un’analisi pragmatica di alcuni elementi di cui l’umanità dovrà necessariamente cambiare il paradigma per poter raggiungere velocità utili a percorrere le distanze siderali che separano la terra dai sistemi extrasolari.

Lo sguardo cade in particolare sul fabbisogno in Energia e sulle disponibilità attuali e future, nonché su a cosa l’umanità dovrebbe rinunciare per poter finanziare una tale impresa spaziale.

Parliamoci chiaro, sappiamo tutti che molto probabilmente nessuno di noi vedrà mai il giorno in cui l’umanità raggiungerà un’altra stella vicina. Ma noi appassionati di scienze siamo anche dei sognatori e anche contro ogni ragione ci concediamo di abbandonarci all’improbabile ipotesi che i tempi possano diventare maturi prima del previsto. E allora, vogliamo capire il perché non sia pensabile che un viaggio interstellare possa avvenire in un futuro prossimo, e vogliamo anche capire cosa lo renderà possibile un giorno e come le generazioni del futuro potranno assistere a qualcosa che a noi non sarà concesso di vivere.

DISTANZE SIDERALI.

Per quanto la cosiddetta conquista spaziale possa sembrare impressionante e testimoniare delle grandi capacità tecnologiche umane, in realtà per il momento… a parte il mettere il piede sulla luna che è letteralmente la porta accanto a poco più di un secondo luce, l’uomo non ha ancora messo il naso fuori di casa. Possiamo dunque già dire con ragionevole certezza che quando si parla di viaggio interstellare, in realtà si fa più realisticamente riferimento all'invio di sonde con strumentazioni capaci di trasmettere immagini e dati verso la terra.

E qui l’umanità si è data già piuttosto da fare: un esercito di sonde ha esplorato il sistema solare interno, e una decina di missioni invece si è diretta verso lune e pianeti più lontani nel sistema solare esterno. E addirittura la sonda voyager 1, l’oggetto umano più lontano dalla terra, è ora oltre i confini dell’eliosfera e si può dunque considerare nello spazio interstellare… ma è partita quasi 50 anni fa. E solo per attraversare la nube di Oort… impiegherà ancora 30 mila anni.

Eh si perché so di non raccontarvi niente di nuovo dicendovi che le distanze da percorrere verso le stelle sfuggono a ciò che possiamo riuscire a concepire. Ma pensate giusto che se il sole fosse una pallina del diametro di 10 cm in centro a Roma, la terra sarebbe una testa di spillo di un millimetro a 10 metri di distanza e la stella più vicina, Proxima Centauri, si troverebbe da qualche parte vicino a Mosca a 2700 km. E la luce, che viaggerebbe su questa scala a 2 cm al secondo, impiegherebbe più di 4 anni per raggiungerla.

Le sonde umane raggiungono una velocità che va dai 12 ai 16 km al secondo, ovvero dai 40 ai 60 mila km orari se vi è più familiare. Le sonde Juno e Parker Solar hanno raggiunto picchi di velocità record a 250 000 e 700.000 km all’ora, ma solo grazie all'intensa accelerazione gravitazionale rispettivamente di Giove e del Sole. Sono velocità più che ragguardevoli se si considera che un aereo di linea viaggia a 800 km orari, ma rappresentano in realtà lo 0,005% della velocità della luce, un ventimillesimo: il che vorrebbe dire Proxima Centauri in 80 mila anni solo andata.

Per raggiungere le stelle… bisognerà troverà il modo di andare più veloci… molto più veloci… disperatamente più veloci.

UNA QUESTIONE DI ENERGIA.

L’energia è la nostra capacità di operare trasformazioni: se vogliamo riscaldare un corpo avremo un costo in energia così come se volessimo spostarlo o accelerarlo. E per accelerare un'astronave ad una velocità utile per un viaggio interstellare, serve una quantità monumentale di energia.

La propulsione spaziale è basata sul terzo principio della dinamica ovvero la legge di azione e reazione che in breve consiste nel far uscire della materia ad alte velocità dal retro di un razzo per spingere un carico utile che accelera così verso l’avanti.

La formula che ne descrive la fisica è l’equazione di Ciolkovskij, e mostra che l’accelerazione, ovvero delta v, si ottiene moltiplicando la velocità di espulsione per il logaritmo del rapporto tra la massa iniziale e la massa finale.

Senza inoltrarci nella matematica, questa equazione ci indica che per aumentare la velocità dei nostri razzi e delle nostre astronavi possiamo intervenire su 2 fattori: il primo è quello di avere un grande rapporto tra massa iniziale e massa finale, ovvero il consumo di grandi quantità di carburante e grandi quantità di massa da espellere, e il secondo è aumentare la velocità a cui questa massa viene espulsa dal reattore per ottenere la spinta.

Ma l’equazione Ciolkovskij ci permette anche di capire che aumentare la quantità di massa da espellere imbarcando grandi quantità di carburante… è certo utile, ma non è il fattore chiave per raggiungere velocità importanti.

Perché pensate giusto al più grande rapporto di Massa iniziale su Massa finale mai realizzabile, ovvero tutta la materia dell’universo osservabile utilizzata come carburante per spingere un carico utile rappresentato da un semplice atomo di idrogeno. Ebbene, malgrado questo straordinario rapporto, tenendo costante l’altro fattore dell’equazione ovvero le attuali velocità di espulsione di cui siamo capaci, l’atomo di idrogeno raggiungerà una velocità di 1840 km al secondo. Il che è impressionante rispetto ai 15 km al secondo delle nostre astronavi… ma… non è nemmeno l’1% della velocità della luce.

" tutto l’universo sotto il culo di un protone per arrivare su Procsima Centauri in 5 secoli! Complimenti! "

Insomma non è aumentando il carburante imbarcato che potremo sperare di fare balzi significativi di velocità.

Ma se guardiamo invece all’altro fattore dell’equazione, ovvero la velocità di espulsione, capiamo che qui si trova la chiave che potrebbe aprirci le porte delle stelle, facendoci raggiungere velocità interessanti.

La velocità di espulsione dipende dall’efficacia del nostro metodo di estrarre energia dalla massa. Conosciamo oramai l’equazione di Einstein E=m per c al quadrato che stabilisce che prendendo un chilogrammo di materia come carburante, il massimo di energia che potremmo estrarre è la sua energia di massa, ovvero un chilogrammo moltiplicato per il quadrato di 300 mila che fa un valore colossale di kilojoule e che sarebbe un'energia tale da renderebbe possibile molte cose finora impensabili. Ma in realtà non è così semplice, perché la quantità di energia che finora siamo in grado di estrarre da una massa… è… a dir poco imbarazzante.

Attualmente la stragrande maggioranza delle missioni spaziali nel sistema solare utilizza la combustione chimica, ovvero una reazione tra un carburante e un ossidante per produrre un'esplosione controllata che garantisce un’accelerazione per diversi minuti duranti i quali si brucerà tutto il carburante. Ma questo processo utilizza un miliardesimo dell’energia di massa, un miliardesimo. E’ un po' come se per bere un sorso d’acqua, dovessimo trasportare una borraccia che pesa come una montagna intera.

La combustione chimica permette di ottenere una velocità di espulsione di circa 10 km/secondo per spingere le nostre astronavi, e per quanto si possa ottimizzarne il rendimento la combustione chimica non permetterà mai di raggiungere velocità molto più ambiziose.

Per fare un passo avanti verso le stelle, saremo costretti a sviluppare e a padroneggiare una tecnologia di propulsione spaziale basata su trasformazioni molto più efficienti di massa in energia. E se in pratica non ne siamo ancora capaci, dal punto di vista teorico l’umanità possiede già le conoscenze per farlo, nel senso che non servirà fare appello alla fantascienza o sperare in una conoscenza portata da civiltà extraterrestri. E’ solo una questione tecnica, che per quanto sia per ora proibitiva, non impedisce di pensare a progetti per cui si possono stimare costi e tempi di realizzazione, nonché definire i risultati attesi.

Per esempio sappiamo bene che già con la fissione nucleare potremmo estrarre lo 0,08% di energia dalla massa, il che può sembrare ancora poco ma permetterebbe già di aumentare di un fattore 1000 la velocità di espulsione utile alla propulsione, dagli attuali 10 km al secondo della combustione chimica, a 10 000 km al secondo. E la fissione nucleare è un processo ben conosciuto che sappiamo manipolare sulla terra, ma ovviamente oltre alla difficoltà tecnica di far volare dei reattori nucleari, non si può ignorarne i rischi perché se i disastri del Columbia e del Challenger fossero avvenuti con a bordo motori a reazione nucleare, il bilancio dei morti sarebbe andato ben oltre a quello dei poveri astronauti. Per non parlare dell’inquinamento radioattivo.

Quindi per il momento, nonostante sia ad una discreta portata tecnica, per svariate ragioni le agenzie spaziali hanno deciso, volenti o nolenti, di non utilizzare la fissione nucleare per le missioni spaziali, almeno fin ad ora.

Il passo successivo, sarebbe poi la fusione nucleare, che è il processo di conversione di Massa in energia che avviene nelle stelle e che consiste nella fusione dei nuclei di due o più atomi che si trasformano così nel nucleo di un nuovo elemento chimico. Così facendo la conversione dell’Energia di massa salirebbe allo 0,4 %, e la velocità di espulsione a 25 mila km al secondo, il che incomincia ad essere interessante.

" Il 13 dicembre 2022 il Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti ha annunciato di essere riuscito a realizzare la prima fusione nucleare la cui reazione ha prodotto più energia di quella utilizzata per far avvenire la reazione stessa. "

Questo potrebbe essere un evento storico e l’alba di una rivoluzione energetica, ma possiamo essere certi che passeranno molti decenni prima che la fusione nucleare sia utilizzata a grande scala sulla terra… e forse secoli prima che, nell’ottica di utilizzarla per la propulsione spaziale, arrivi almeno alla stessa portata tecnica della fissione nucleare.

In ultimo, c’è il non plus ultra dell’utilizzo dell’energia di massa, che è l'antimateria.

" In fisica l'antimateria è la materia costituita da antiparticelle corrispondenti per massa alle particelle della materia ordinaria, ma aventi alcuni numeri quantici, come ad esempio la carica elettrica, di segno opposto"

Su cos’è l’antimateria faremo probabilmente un video a parte ma ciò che ci interessa per questo racconto è il fatto che quando una particella entra in contatto con un’antiparticella queste si annichiliscono, trasformandosi così quasi integralmente in un’enorme quantità di energia.

La velocità di espulsione ottenuta con l’annichilimento della materia raggiungerebbe 250 mila km al secondo, permettendo così una propulsione che consentirebbe alla nostra astronave di raggiungere una frazione significativa della velocità della luce. Ma anche qui, se le conoscenze teoriche umane consentono di pensare a propulsioni che sfruttano l’antimateria, le difficoltà tecniche ne proiettano la realizzazione ad un futuro piuttosto lontano.

Innanzitutto c’è il problema dello stoccaggio che dovrà farsi senza che avvenga un contatto fisico tra il contenitore e il contenuto, poiché altrimenti l’antimateria reagirebbe istantaneamente con le pareti del serbatoio. E anche questo è teoricamente realizzabile intrappolando l’antimateria con forti campi elettromagnetici… ma in pratica aggiunge ancora un livello di difficoltà non da poco alla realizzazione, per non parlare della pericolosità di trasportare un carburante che esplode solo a guardarlo.

Eh… Inoltre l’antimateria sembra esistere in quantità esigue nell’universo e in laboratorio per il momento siamo stati capaci di produrne quantità microscopiche.

Insomma per il momento sembriamo essere confinati al caro sistema solare. Le attuali tecniche di conversione della massa in Energia producono una velocità di espulsione limitata e questo ci obbliga per il momento ad intervenire sull’altro fattore dell’equazione di Ciolkovskij, ovvero il rapporto massa iniziale su massa finale, e ad imbarcare enormi quantità di massa combustibile che aumenta il peso da accelerare con ulteriore carburante, innescando un circolo vizioso di scarsa efficacia.

QUANTO SIAMO DISPOSTI A SACRIFICARE?

Le risorse naturali, cioè la massa che utilizziamo per generare l’energia utile a tutte le attività umane… non sono infinite.

Secondo uno studio del 2020 fatto dall’Agenzia Federale Tedesca per le Scienze della Terra e le Materie Prime, le attuali riserve di carbone, idrocarburi, gas e uranio, si stima siano sufficienti per produrre ancora 40 mila Exajoule di Energia, che al ritmo attuale copriranno il fabbisogno dei prossimi 83 anni… poi… game over.

Ed è un conto alla rovescia che fa venire un certo brivido lungo la schiena…

E quindi nel momento in cui l’umanità si pone il problema di come sopperire al bisogno energetico per le tutte attività sulla terra, l’investimento di enormi quantità di energia per un eventuale viaggio interstellare… diventa un argomento delicato.

Si stima che durante i 165 secondi di accelerazione, il razzo Saturn 5 che ha portato l’uomo sulla Luna, abbia sviluppato una energia pari a poco meno dell’1% dell’energia mondiale prodotta nel 1969. E 1% si potrebbe considerare un costo in energia accettabile. Se ci chiedessero di sacrificare l’1% del nostro stipendio annuo per un progetto ambizioso, certo ci seccherebbe ma globalmente non ci stravolgerebbe la vita.

Ma ora la domanda è, quanta energia ci vorrebbe per immaginare un viaggio interstellare, e a quale privazione l’umanità dovrebbe andare incontro e sarebbe disposta ad accettare?

Facciamo viaggiare un po’ la fantasia e pensiamo di voler inviare un carico utile di 1000 tonnellate a un decimo della velocità della luce, per raggiungere proxima Centauri in 40 anni. E’ una situazione realistica: un carico di 1000 tonnellate non permette una missione umana ma permette di inviare una sonda con a bordo un po’ di strumentazioni scientifiche, batterie e sistemi di comunicazione. Un decimo della velocità della luce è infinitamente più di quanto sappiamo fare oggi, ma abbiamo visto che l’umanità possiede le conoscenze teoriche per immaginare questa possibilità, e 40 anni di viaggio sono un tempo lungo… ma accettabile.

E l’energia necessaria per una missione spaziale di questo tipo si può stimare applicando la formula dell’energia cinetica, e allora troviamo un valore di 450 Exajoule, ovvero quasi quanto l’umanità consuma attualmente in un anno intero per tutte le sue attività.

E ciò significa che se volessimo realizzare questa impresa, per un anno dovremmo accettare di vivere come all’età della pietra…privandoci di ogni joule di energia, per stoccarne tutta la produzione (facendo finta di saperlo fare) e utilizzarla poi per la propulsione delle nostre 1000 tonnellate di carico utile.

E in queste proporzioni, si tratterebbe di un costo che nessuna agenzia spaziale potrebbe mai proporre, e di una privazione energetica che nessuno di noi potrebbe mai accettare.

E allora affinché la nostra missione rappresenti di nuovo solo quell’1% come Saturn 5 nel 1969, bisognerà aumentare di un fattore cento la capacità di produzione energetica dell’umanità. E l’ultima e sola volta in cui ciò è avvenuto è stato nel passaggio dall’era pre industriale ad oggi, quando le nuove tecnologie portate dalla rivoluzione industriale alla fine del 700, permisero di sfruttare durante i secoli seguenti le risorse naturali disponibili.

Ma da allora, le persone sulla terra sono quasi 10 volte di più, e ogni individuo consuma in media 10 volte più energia.

Per riprodurre un’altra rivoluzione industriale capace di accelerare di 100 volte la produzione e la disponibilità di energia, l’umanità questa volta non potrà pensare di doversi giusto chinare per raccogliere quanto la natura le ha messo a disposizione negli ultimi 200 anni.

Dovremo imperativamente inventarci qualcos’altro.

CONCLUSIONE.

In questo episodio abbiamo messo in luce 3 elementi di cui dovremo necessariamente cambiare il paradigma per poter sperare di raggiungere velocità che rendano possibile il viaggio interstellare.

Il primo è l’affrancarsi dal bisogno di imbarcare grandi quantità di massa, uscendo così dalla spirale per cui ogni kilo imbarcato richiede carburante per accelerare il peso del carburante stesso.

Il secondo è la padronanza della tecnologia per estrarre più energia da una minore quantità di massa imbarcata, aumentando al tempo stesso la velocità di espulsione per la propulsione.

E il terzo è il bisogno che l’umanità trovi il modo di produrre molta più energia, per far sì che quella necessaria ad un viaggio interstellare, rappresenti un costo energetico proporzionalmente accettabile.

E se mi permettete una considerazione puramente personale che quindi non ha nessun valore scientifico, questo terzo elemento mi sembra sia l’ostacolo meno considerato quando si fantastica sul viaggio interstellare, ma in realtà forse quello più difficile da superare, perché almeno dal punto di vista del presente in cui viviamo, tra la crescita demografica e l’esaurimento delle risorse, nulla lascia pensare che l’umanità si trovi presto in sovrabbondanza di energia.

Ed ecco perché l'appuntamento per un viaggio verso le stelle non è per un futuro che noi umani del 2023 potremo vivere.

Sperare in qualcosa che possa accelerare i tempi è legittimo poiché non impossibile… ma… attenzione a ciò in cui speriamo, perché lo scenario in cui l’umanità si veda costretta ad accelerare i tempi per lasciare la terra… potrebbe non essere così auspicabile.

E nel frattempo cari amici, il solo modo che avrete per apprezzare le stelle… sarà quello di continuare ad appassionarvi di scienze. A presto.