La propulsione laser potrebbe soddisfare il bisogno di velocità della nostra navicella spaziale

Ci sono molti posti meravigliosi che vorremmo visitare nell’universo, e probabilmente altri numeri incalcolabili di cui non abbiamo ancora visto o sentito parlare. Sfortunatamente… sono tutti così dannatamente lontani. Un viaggio su Marte nel migliore dei casi richiede circa sei mesi con la tecnologia attuale, nel frattempo, se vuoi visitare Alpha Centauri è a quattro anni luce di distanza!

Quando si tratta di attraversare queste grandi distanze, la tecnologia convenzionale dei razzi chimici semplicemente non taglia la senape. A quanto pare, però, i laser potrebbero essere la chiave per ridurre i tempi di viaggio nello spazio!

45 giorni su Marte sul laser

La propulsione termica laser è un concetto relativamente semplice e potrebbe far viaggiare la nostra navicella spaziale nel nostro quartiere celeste più velocemente che mai. Un potente raggio laser sparato dalla Terra prende di mira un grande scambiatore di calore a bordo dell’imbarcazione, attraverso il quale viene pompato un propellente. Quando il propellente riscaldato si espande, alla fine viene esaurito da un ugello più o meno allo stesso modo di un razzo tradizionale. È anche simile al concetto di propulsione termica nucleare, ma invece di utilizzare il calore di una reazione nucleare, si basa sull’energia laser fornita dall’esterno.

Un giornale recente suggerisce che un tale sistema di propulsione potrebbe funzionare a impulso specifico di circa 3000 secondi. Questa è essenzialmente una misura di quanta spinta sviluppa un motore per massa di carburante. A 3000 secondi, si potrebbe dire che un sistema di propulsione termica laser sia almeno 12 volte più efficiente in termini di consumo di carburante in termini di spinta rispetto ai propulsori a razzo solido (SRB) dello Space Shuttle.

Un rendering di un veicolo spaziale a propulsione termica laser. Notare il grande riflettore e l’ugello del razzo sul retro. Credito: Duplay, 2022, CC DI 4.0

Ciò consente a una propulsione termica laser di ottenere cambiamenti di velocità molto maggiori con meno carburante, il che conferisce a una missione spaziale la capacità di inviare carichi utili più lontano e più velocemente. I calcoli mostrano che con un piano di missione idealizzato, un carico utile di circa 1000 kg potrebbe essere inviato su Marte in soli 45 giorni, molto più velocemente dei soliti 6-7 mesi possibili nelle tipiche missioni alimentate da sostanze chimiche.

Una missione spaziale concettuale a propulsione termica laser su Marte. Credito: Duplay, 2022, CC DI 4.0

La tecnologia coinvolta è complessa, come ti aspetteresti. Per la missione sarebbe necessario un grande array laser con una potenza dell’ordine di 100 MW. Il veicolo spaziale stesso verrebbe lanciato fuori dall’atmosfera su un razzo chimico convenzionale, dopodiché si separerebbe e rivelerebbe un grande riflettore parabolico gonfiabile. Il laser a terra si accenderebbe quindi per un massimo di un’ora, utilizzando l’ottica adattiva per contrastare l’effetto dell’atmosfera terrestre sul raggio. Il riflettore parabolico del veicolo spaziale concentrerebbe quindi l’energia su una camera per riscaldare l’idrogeno propellente che verrebbe espulso da un ugello a grande velocità, fornendo spinta.

Se lo si desidera, il veicolo spaziale potrebbe essere progettato per rilasciare la capsula di carico utile nel suo percorso verso Marte, con l’unità di propulsione termica laser che si separa e torna a un’orbita terrestre stabile per il rifornimento. Ciò ha il vantaggio che il sistema di propulsione stesso potrebbe essere utilizzato più volte in rapida successione per caricare carichi utili ben oltre la Terra.

Un tale sistema ha un grosso difetto che spicca. Mentre un laser sulla Terra viene utilizzato per accelerare la navicella spaziale a grande velocità, non esiste un corrispondente array laser su Marte che possa decelerare la navicella all’arrivo. Né l’uso della propulsione chimica è un modo pratico per rallentare, poiché ciò occuperebbe troppo del carico utile utile dell’imbarcazione. I ricercatori hanno invece stabilito che una manovra di frenata aerodinamica molto attenta nell’atmosfera marziana potrebbe essere utilizzata per rallentare un velivolo in arrivo. Tuttavia, è un’operazione delicata che deve essere eseguita in modo impeccabile per garantire il successo.

Nel complesso, un tale sistema potrebbe essere facilmente sviluppato a breve termine. Sebbene nessuno abbia un array laser da 100 MW in giro, le moderne tecnologie laser a fibra ottica significano che una tale cifra di potenza non è al di fuori del regno delle possibilità. Allo stesso modo, sarebbe necessario molto lavoro per creare un veicolo spaziale termico laser affidabile e un sistema di terra in grado di inviare carichi utili in direzioni utili nello spazio non solo limitato dalle posizioni relative del veicolo spaziale e del laser a terra.

Cavalca il laser verso le stelle

Se vuoi arrivare fino alla nostra stella più vicina, Alpha Centauri, dovrai viaggiare ancora più veloce. Anche andando alla velocità della luce, ci vorrebbero quattro anni per arrivarci. Pertanto, una sonda che intende viaggiare così lontano vorrebbe avvicinarsi il più possibile a quella velocità per arrivarci in un periodo di tempo ragionevole.

Vele laser potrebbe semplicemente contenere la risposta a questo problema. Si basano sul concetto di pressione di radiazione fotonica, in cui la luce che colpisce una superficie crea effettivamente pressione e la spinge avanti. Si chiamano vele perché il concetto è esattamente lo stesso di quello di un veliero dei secoli passati. Invece di stoffa e vento, però, una vela laser sostituisce nanomateriali avanzati e una potente luce laser.

Un’idea artistica dell’idea della vela laser. Un tale velivolo potrebbe potenzialmente trasportare un carico utile su scala grammo a velocità relativistiche, fino a circa 0,2 c. Credito: Iniziative rivoluzionarie

Ricerche recenti suggeriscono che una vela laser della scala di pochi metri potrebbe spingere un’imbarcazione del peso di un grammo a velocità fino a 0,2 volte la velocità della luce. Ciò consentirebbe di raggiungere Alpha Centauri in circa 20 anni, invece delle decine di migliaia di anni necessari con i missili convenzionali.

Il concetto richiederebbe l’uso di una vela fatta di fogli estremamente sottili di materiali come ossido di alluminio, nitruro di silicio e bisolfuro di molibdeno. Misurando migliaia di volte più sottile di un foglio di carta, la vela dovrebbe essere abbastanza forte da non strapparsi, e anche essere in grado di dissipare il calore in modo da non sciogliersi dalla potenza del laser che la spinge.

Il nano-motivo avanzato della vela sarebbe la chiave per raggiungere questo obiettivo. L’idea è quella di produrre una vela con un’elevata riflettività per massimizzare l’accelerazione dovuta alla pressione fotonica, mantenendo anche un’elevata emissività termica per mantenere la vela abbastanza fresca da non sciogliersi. Insieme a un array laser da 100 GW sparare alla vela, non è un’impresa da poco. Proprio come una vela convenzionale su una nave a vela, il materiale potrebbe fluttuare sotto la pressione della luce in arrivo. Ciò riduce significativamente la possibilità di lacrime.

Nella migliore delle ipotesi, la vela sarebbe in grado di trasportare solo un piccolo carico utile del peso di pochi grammi. Si spera che metodi di fabbricazione avanzati possano creare un microprocessore, telecamere e hardware di comunicazione per la sonda in grado di comunicare sulle vaste distanze tra Alpha Centauri e la Terra.

È un piano audace e che potrebbe consentire alla ricerca spaziale di affrontare argomenti più lontani che mai. Tuttavia, le sfide in gioco sono grandi. La richiesta di array laser estremamente potenti va oltre le nostre attuali capacità e il problema dei materiali deve ancora essere risolto. Inoltre, qualsiasi messaggio inviato da una sonda ad Alpha Centauri impiegherebbe quattro anni per tornare sulla Terra, quindi si presentano anche problemi di comunicazione.

Indipendentemente da ciò, la ricerca condotta finora da Breakthrough Initiatives mostra che i concetti di vela laser non sono necessariamente solo una questione di fantascienza. Con il giusto investimento e sviluppo, un giorno in futuro potrebbero rivelarsi un utile metodo di propulsione per i mezzi di ricerca.

Conclusione

A differenza di altre tecnologie apparentemente fantascientifiche, come i propulsori ionici, questi metodi di propulsione laser sono ancora piuttosto lontani dall’essere messi in campo in missioni spaziali reali. Ci sono enormi sfide da superare, ed è anche utile risparmiare un pensiero per qualsiasi uccello o altra sfortunata fauna selvatica che si trovi nel raggio di un laser di classe megawatt o gigawatt.

Tuttavia, se vogliamo aprire i cieli, sarà necessario più di quanto la nostra tecnologia esistente possa ottenere. Quindi, questi progetti, o forse altri nuove idee fantasiosepotrebbe un giorno portarci ben oltre il nostro sistema solare.

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