1. Muoversi nello spazio…
Una delle difficoltà maggiori quando si parla di missioni spaziali è l’immensa
quantità di propellente (e l’elevato costo 7000€ x kg) che serve per spedire
qualche quintale di materiale nello spazio, considerato paradossalmente la frazione
di “carico utile”.
Ebbene sì oltre che essere l’opzione più efficacie, ad oggi, in passato innescare
speciali miscele chimiche che garantivano una buona propulsione era l’unico
metodo. A partire dagli anni novanta, però, è cominciata l’ascesa della propulsione
elettrica nota per la sua straordinaria efficienza: è in grado di arrivare negli stessi
recessi dello spazio con una frazione del propellente richiesto da un motore
«vecchio stile» e tramite l’uso di energia solare in chiave ecosostenibile. L’unica
pecca di questi motori new generation era l’efficacia: ancora oggi sono
estremamente deboli; il risparmio in ottica di risorse e costi, purtroppo è
scompensato dalla loro “lentezza”.
Fortunatamente in tempi recenti si sono consolidati gli studi sulla realizzazione di
vele solari: grandi vele spinte dalla luce solare (precisamente da fotoni). Ad
esempio una vela solare ideale, per poter esplorare lo spazio in tempi ottimali,
dovrebbe avere una superficie di diversi ettari e un peso di poche decine di
chilogrammi. In questo modo la spinta sarebbe sufficiente a navigare nel sistema
solare e oltre con una buona e costante potenza propulsiva.
Le origini di questa idea geniale?
Kepler fu il primo ad osservare che le code (di color giallastro perché riflettono le
radiazioni solari) delle comete puntano lontano dal Sole e suggerì che fosse il Sole a
causare l'effetto. In una lettera a Galileo nel 1610, scrisse: "Fornisci navi o vele adatte
alle brezze celesti, e ci saranno alcuni che sfideranno anche quel vuoto".
James Clark Maxwell nel 1861–1864, pubblicò la sua teoria dei campi elettromagnetici
delle radiazioni, che mostra che la luce ha slancio e quindi può esercitare pressione
sugli oggetti. Le equazioni di Maxwell forniscono le basi teoriche per navigare con una
leggera pressione. *
P.S. I fotoni costituiscono tutte le radiazioni
dello spettro elettromagnetico.Infatti in un'onda
elettromagnetica l'energia è distribuita in pacchetti
discreti e indivisibili di fotoni.
2. Konstantin Tsiolkovsky ha proposto per la prima volta di utilizzare la pressione della
luce solare per spingere la navicella spaziale attraverso lo spazio e ha suggerito di
"usare enormi specchi di fogli molto sottili per utilizzare la pressione della luce solare
per raggiungere velocità cosmiche"
Carl Sagan negli anni '70, ha reso popolare l'idea di navigare sulla luce utilizzando una
struttura gigante che rifletterebbe i fotoni in una direzione, creando slancio. Ha sollevato
le sue idee in lezioni universitarie, libri e programmi televisivi. Era ossessionato dal
lanciare rapidamente questa navicella spaziale in tempo per eseguire un incontro con la
cometa di Halley.
*Cenno teorico:
La radiazionesolare esercita una pressionesulla vela per riflessionee una piccola
frazioneche viene assorbita. Questo perché le onde elettromagnetiche trasportano
quantità di moto. Quella di un fotone o di un intero flusso ad esempio, ed è data
dalla relazione di Einstein:
P= E/c
DoveP è la quantità di moto, E è l'energia (del fotone o flusso) e c è la velocità della
luce.
Si considerila radiazioneelettromagnetica solare che incide perpendicolarmente
sulla superficiedella vela solare, capace di rifletterla e assorbirla (in tal caso si parla
di vela ideale e piatta al 100%).
La P trasmessa all'unità di volume dall’onda in un intervallo ∆t è paria ∆q=∆t*P*c*A
(superficieassorbente); inoltre sappiamo che la pressioneè: p=F/A
p=F/A=∆q/∆t*A =P*c*A*∆t/∆t*A=P*c= (u/c)*c=u
Nel caso di incidenza perpendicolare la pressionedi radiazione è uguale alla densità
di energia trasportata dall’onda.
Sostituendo F=∆q/∆t
ricaviamo
3. A partire da questi studi…
I ricercatori della NASA hanno scoperto che a 1 unità astronomica (UA), che è la
distanza dal sole alla Terra, pari a 93 milioni di miglia (150 milioni di km), la luce
solarepuò produrrecirca 1,4 kilowatt (kW) di potenza. Se si divide 1,4 kW per la
velocità della luce, si può osservare chela forza esercitata dal sole è di circa 9
newton (N) / miglio quadrato. In confronto, il motore principale di uno space shuttle
può produrre1,67 milionidi N di forza duranteil decollo e 2,1 milioni di N di spinta
nel vuoto. Alla fine, tuttavia, la forza continua della luce solaresu una vela solare
potrebbe spingereun veicolo spaziale a velocità cinque volte superioririspetto ai
razzitradizionali.
Prerequisiti per un veicolo spaziale a vele solari
Affinché le vele solari possano funzionare,
logicamente devono essere costituite da
materiale leggero, altamente riflettente (poiché i
fotoni riflessi esercitano una pressione sulla vela
che produce un'accelerazione costante della
navicella) e in grado di tollerare temperature
estreme.
Forza continua esercitata dalla luce solare. Quando il veicolo spaziale si trova
lontano da essa un laser a bordo potrebbe subentrare fornendo la necessaria
propulsione alle vele.
Un veicolo di lancio separato necessario per lanciare la vela solare, che sarebbe poi
dispiegata nello spazio / Un altro modo possibile per lanciare una vela solare
sarebbe con microonde o raggi laser forniti da un satellite o da un altro veicolo
spaziale.
Esempi:Le vele giganti testate oggi dallaNASAsono
realizzate inmaterialeriflettentemoltoleggero,100
volte piùsottile di unnormale fogliodi cancelleria.
Questo"materiale alluminizzato,resistente alla
temperatura"è chiamatoCP-1;un'altra organizzazione
che sta sviluppandolatecnologiadellavelasolare,la
PlanetarySociety(ungruppoprivatoconsede a
Pasadena,inCalifornia),sostiene il Cosmos1,che vanta
vele solari realizzate inMylarrinforzatoconalluminioe
sonocirca un quarto dellospessoredi unsacco della
spazzaturadi plasticaa unvelo.
Disegnoillustrante CosmosIinorbita
terrestre conla sua velaaperta
