LEO SORGE

Valutare i viaggi nello spazio richiede di andare contro una vulgata narrativa e una bestemmiata scientifica assolutamente non risolvibile nei soli 4,5 miliardi di anni che -sputo più, sputo meno- restano al sistema Solare. Alla Terra, probabilmente, qualche mese di meno.

Al tempo d’oggi si parla di “turismo spaziale” a poche centinaia di migliaia di euro per lanciare in aria una sputazzella: nello spazio non si va in quel modo!

Il viaggio spaziale del Sole

Il viaggio spaziale ha da sempre affascinato l’umanità. Una cosa è l’immaginazione, un’altra la realtà: muoversi nello spazio è molto più complesso di quello che immaginiamo.

Per ben capire come ci si muove nello spazio possiamo osservare l’adolescente più fantastico che ci sia: il sistema solare. Tutti i Soli, compreso il nostro, si trascinano una ghirlanda di pianeti ed altri sassi orbitando con geometrie variabili intorno al centro della galassia. È un adolescente in quanto non ha ancora compiuto 18 anni: nei suoi 4,5 miliardi di anni di vita, infatti, ha completato solo 17 giri intorno al centro di gravità della galassia. Ogni giro, il suo anno, è di 226 milioni di anni. Uno dei tanti bellissimi video che lo mostrano è quello di Djsadhu, disponibile su Youtube.

È triste dirlo, ma il sistema solare non dovrebbe arrivare a 36 anni, perché il Sole finirà la sua vita poco prima, e noi con essi. Lascerà comunque traccia di sé per un possibile, futuro sistema solare con gli stessi materiali e con la stessa orbita galattica: d’altronde anche lui è nato dalla gravitazione dei resti di una focosa stellina vissuta prima di lui! Al momento infatti l’età dell’universo è stimata in 14 miliardi di anni e rotti, quindi per una decina di miliardi d’anni il nostro sistema solare non esisteva e al suo posto ce n’era un altro, ormai defunto.

Al riguardo, un’approssimata, ma bellissima favola che potete raccontare alle persone che amate e alle quali regalate oro o argento è che perché questi materiali potessero essere forgiati a ricordare il vostro legame, una stella ha dovuto sacrificarsi. Una larga metà degli elementi chimici, infatti, vengono resi disponibili dopo l’esplosione d’una stella. E anche questo è un viaggio nello spazio.

Voyager 1, il più lontano

L’umanità ha lanciato nello spazio lontano molti oggetti di tipo diverso. L’oggetto di origine terrestre andato più lontano dalla Terra è il Voyager 1, che nel 1998 ha sorpassato il Pioneer 10. Il Voyager 1 è ancora funzionante e in qualche modo in contatto con noi. Lanciato il 5 settembre 1977, pesa 825 kg, poco più della prima Fiat Panda. Le sue tre batterie termonucleari dovrebbero esaurire la loro energia, già diminuita, nel 2025. Il Voyager non tornerà mai sulla Terra, se non nelle serie di fantascienza degli anni ‘60 e ‘70.

Come possiamo catalogare i veri viaggi spaziali? Proviamo ad indicare tre grandi dimensioni:

Umanità (nel senso di umani a bordo): non umani-umani;

Ritornabilità (parola che invento ora): sola andata-andata e ritorno;

Percorribilità (parola il cui senso deformo a mio uso): la distanza che possono percorrere, che è una misura indiretta, ma più ampia, della tecnologia che li crea.

Sembra opportuno ricordare che i corpi celesti non stanno fermi, ma si muovono a distanze variabili. Può essere interessante vedere (sul piano) il viaggio del rover della missione Mars Perseverance. L’immagine è sul piano, ma ovviamente c’è anche una differenza nella terza dimensione.

Immaginiamo quali siano le missioni-tipo. Per renderne graficamente la diversa complessità ho provato a usare un grafico radar. L’area sottesa per una missione umana che torni, in una (arbitraria) scala di difficoltà, è molto maggiore rispetto ad una missione robotica senza ritorno.

Aggiungo una nota sulla misura delle distanze. Noi siamo abituati a misurarle in km, che può essere utile per viaggi brevi. Per viaggi medi si usano le UA, unità astronomiche: 1 UA vale circa 150 milioni di km ed è la distanza media tra Terra e Sole. Per distanze ampie di usa l’anno-luce, ovvero la distanza percorsa dalla luce in 1 anno terrestre: equivale a 63 mila UA e a 9,4×10¹² km.

Ed ecco la tabellina di partenza per generare il grafico radar, con qualche dato in più rispetto al grafico stesso.

	anno	Uma	Rita	Perca (km)	Perca (UA)
Sputnik	1957	0	no	600
ISS	2000	10	no	400
Space Missions
Apollo 11, Chang’e, Chandrayaan	1969	3	sì	384,000
Mars Percy, Tianwen-1, Hope, Mangalyaan	2020	0	no	480 milioni	1.7
Voyager 1	1977	0	no	23 miliardi	157,000
Space Tourism
Blue Origin	2021	1	sì	108
Virgin Galactic	2021	1	sì	86
Space X	2012	1	sì	400

Legenda: Uma = Umanità, Rita = Ritornabilità, Perca = Percorribilità.

La ISS si dissolverà all’alba del 2025?

Nella tabella soprastante, per la ISS indico il 2000 in quanto è l’anno del primo equipaggio stabile, e non il primo lancio del 1998. Parlando di stazioni spaziali, la ISS non è stata la prima del genere (fu preceduta dalla russa Mir) e non sarà l’ultima. Al momento è in orbita anche la stazione cinese, molto piccola (più piccola della cara, vecchia Mir) ma in fase di ampliamento con l’attuale missione Shenzhou-14.

La situazione geopolitica mondiale ha portato la Russia ad annunciare la fine della collaborazione al 21/21/2024: senza ripensamenti, l’ISS verrà lasciata uscire dall’orbita per bruciare nell’atmosfera. Se ciò succedesse, l’unica stazione spaziale orbitante intorno al Vecchio Pianeta sarebbe quella cinese.

Intorno a Marte e sulla Luna siamo in tanti, e dal… 1971

Può essere divertente fare un po’ di storia di ciò che poco arriva sui media europei né statunitensi. Il Paese al centro del mondo, come si traducono i due ideogrammi che indicano la Cina, ha al suo attivo svariati altri successi spaziali. Nel 2021 ha avuto successo Tianwen-1, una missione robotica, orbitante e con ammartaggio, sul pianeta rosso. La Cina ha al suo attivo anche cinque missioni lunari, tra il 2007 e il 2020: proprio in quell’anno la Chang’e 5 riportò sulla Terra numerosi campioni di suolo lunare.

Lanciare missioni verso Marte non è possibile in qualsiasi momento, ma solo in determinati periodi. Insieme al lancio di Perseverance e di Tianwen-1 è stato possibile lanciare anche la missione Hope degli Emirati Arabi.

Anche l’India ha un ricco programma spaziale. Dal 2008 un suo satellite orbita intorno alla Luna grazie al programma Chandrayaan. Il secondo tentativo (2019) ha messo in orbita un secondo satellite, ma ha subito il crash del rover che si sperava allunasse.

Mangalyaan (mangala = Marte, yāna = veicolo) è invece il nome della missione verso il pianeta rosso, che ha avuto successo nel 2013 e da allora ha in orbita un satellite indiano.

I tentativi di mandare sonde o orbiter intorno Marte o sulla sua superficie hanno una lunghissima storia che comincia nel 1969 per vedere i primi successi nel 1971, anno del Mars russo e dei Mariner e Viking statunitensi.

Quindi lo spazio è più affollato di quanto si pensi in generale e sarà difficile che laggiù non valga il diritto spaziale, derivazione del diritto internazionale, non varrebbe su Marte. Questa bizzarra affermazione è di Elon Musk, il brillantissimo sudafricano che via via ha avuto le mani in pasta con PayPal, Tesla, Solarcity, The Boring Company e il (ri)lancio di Hyperloop, Space X e una serie di altri rumours tra i quali l’essere l’inventore del Bitcoin e voler pilotare l’acquisto di Twitter.

Ipotesi semplificate per i viaggi spaziali

Ma torniamo ai viaggi spaziali. Per dire qualcosa di divulgativo e forse sensato nello spaziotempo di questo articolo introduciamo due vincoli:

Tutta la fisica che conosciamo si ferma alla velocità della luce;

La scienza preferisce contare su missioni più o meno umane di durata massima pari a due mandati presidenziali statunitensi, ovvero 8 anni. I fondi alla Nasa sono molto sensibili alle variazioni della politica.

Certo le macchine autoreplicanti potrebbero essere una soluzione, ma ne perderemmo il controllo proprio quando i loro dati sarebbero più interessanti. Potremmo mandarle periodicamente nella stessa direzione, in modo da creare una rete di contatto, ma in questo articolo escludiamo i viaggi in tempi più lunghi della vita umana. Vedremo soluzioni umane con ritorno, e con tecnologie note ma anche appena ipotizzate.

Ipotizziamo ora che le leggi dell’universo siano solo quelle che già conosciamo, che radiazioni e collisioni siano gestibili, che la manutenzione di apparati (consumabili, danni, energia) ed umani (medicine, cibo) sia risolvibile a bordo.

Oggi le missioni con equipaggio umano verso Marte possono andare ad una velocità di crociera di 80 milioni di km al mese, quasi 1 miliardo all’anno.

Avendo a disposizione 8 anni, la distanza percorribile sarebbe di 1B*(8 – durata missione)/2 chilometri. Per una permanenza di due anni, il raggio dell’esplorazione è di 3 miliardi di km: ad occhio e croce potremmo arrivare fino a Saturno, ma non oltre. Per superare questo pianeta dovremmo rimuovere qualcuno dei vincoli, ad esempio il numero di mandati presidenziali.

Ma la matematica ci sarebbe sempre contraria: il vero problema è la velocità che possiamo raggiungere.

Ipotizziamo di poter mandare equipaggi umani alla velocità della luce, ovvero 9.540 miliardi di km/anno. È circa 10 mila volte quella attualmente possibile. Nei famosi 8 anni complessivi (di cui due di missione) avremmo a disposizione esplorazioni in un raggio di… 3 anni-luce, ovviamente.

Non possiamo atterrare su oggetti non solidi. Le stelle non lo sono. Probabilmente sceglieremo un pianeta abitabile, quindi ipotizzando che abbia acqua liquida superficiale. La presenza di acqua è ipotizzata su base statistica, prendendo a riferimento dei parametri indiretti.

Ovviamente particelle d’acqua o della sua famiglia possono essere intrappolate nelle rocce o in aree sotterranee, ma su queste ipotesi non facciamo affidamento.

Quanto è importante l’acqua?

Trovo interessante fare qui una piccola divagazione. L’acqua è importantissima per la vita che conosciamo noi, ma è anche pochissima. Tutti noi siamo portati a credere che sia tanta perché pensiamo alla Terra, la cui superficie è per due terzi ricoperta d’acqua. La superficie sì, ma il volume proprio no: l’acqua disponibile sulla Terra ha una profondità media di 2 km, mentre il raggio terrestre è di circa 6.400 km. L’acqua libera sulla Terra è una sfera di 700 km di raggio e quella dolce una frazione molto, molto più piccola. Molta di più è quella intrappolata nel mantello, ma quella è meno fruibile.

Si sarebbe accumulata sulla Terra grazie a miliardi di comete ghiacciate proiettate sulla Terra grazie all’influenza gravitazionale del pianeta Giove, che mandava liquide comete e defletteva pericolosi asteroidi.

Destinazione Trappist-1 e, a 41 anni-luce

Ma non divaghiamo oltre e partiamo! I pianeti abitabili esterni al sistema solare si chiamano exoplanets. Per questo articolo facciamo riferimento alla lista di esopianeti della Nasa. Al momento in cui scrivo ci sono oltre 5 mila pianeti scoperti e quasi 10 mila candidati.

Di questi, il più vicino è Proxima Centauri B, che si trova a 5 anni-luce, ma non ha acqua. Per trovare acqua dobbiamo percorrere i 41 anni-luce che ci separano dalla stella Trappist-1: dei suoi 7 pianeti, tre (il quarto, quinto e settimo, chiamati “e”, “f” ed “h”) potrebbero avere acqua liquida. Trappist-1 non somiglia al Sole e l’atmosfera di Trappist-1 e potrebbe essere come quella di Venere, ma con acqua liquida.

Una curiosità è il nome della stella e conseguentemente dei pianeti. Orbene la stella prende il nome dal progetto cileno Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (in sigla TRAPPIST) che lo ha scoperto. I corpi celesti vengono indicati con le minuscole dell’alfabeto in sequenza, a partire da “a” che è la stella stessa. Quindi “b” è il primo pianeta e così via.

Tornando ai pianeti che gli girano attorno, resta il problema dei 41 anni di distanza: anche a velocità luce, un periodo un po’ lungo.

Per andare nello spazio vero, insomma, l’unica via è usare astronavi che superino la velocità della luce.

Alcubierre: il motore Warp è teorizzabile, ma contro natura

E qui ci viene in soccorso Miguel Alcubierre. Per seguirlo ci vuole tanta, tanta fantasia: si tratta di accettare che tutte le soluzioni matematiche che egli ha trovato partendo dalla RG, la relatività generale di Einstein, abbiano senso fisico. Ma se accettiamo anche per la fisica teorica la sospensione dell’incredulità di Coleridge, quanto segue diventa bellissimo. Ed è possibile spostarsi nello spazio a velocità molto maggiori di quella della luce senza nessun problema fisico. O quasi.

Si parte quindi da E = mc2? Quasi tutti noi associano una qualsiasi cosa attribuita ad Einstein o alla sua linguaccia, oppure alla soprastante formuletta. E invece no, RG è questa:

La formula serve solo a dare un po’ di thrill all lettore, ma non ne facciamo nulla. Per saperne di più, sempre senza calcoli, guardate i 7 minuti nei quali Gabriele Rizzo e Marco Casolino ne parlano.

Ciò che accade a velocità superiori a quella della luce si chiama “superluminale”; di conseguenza, ciò che accade a velocità inferiori a quella della luce si chiama “subluminale”.

Anche in questo caso, poniamo un vincolo:

Anche a velocità superiore a quella della luce, ipotizziamo che la nostra valutazione degli effetti collaterali (validi a velocità inferiori a quella della luce) resti valida.

In realtà noi non sappiamo cosa succede una volta varcata la fatidica soglia.

Orbene, Alcubierre trovò nella RG delle soluzioni idonee alla creazione di un meccanismo che deforma lo spazio, avvicinando la partenza e la destinazione di un viaggio spaziale. Mutuando la nomenclatura dalla fantascienza della serie classica di Star Trek, egli scrisse il seminale articolo “The Warp Drive: Hyper-fast travel within general relativity”.

Spannometricamente parlando, il brillante fisico messicano ha trovato un set di soluzioni all’equazione RG che divide l’universo in tre parti: un’area interna, una bolla che distorce lo spaziotempo  e il resto dell’universo. Nell’area interna mettiamo il payload, in questo caso l’astronave, che resta ferma nel nostro spazio e si muove nel nostro tempo. La bolla intorno all’astronave distorce lo spazio, avvicinando punto di partenza e punto di destinazione; il resto dell’universo resta come lo conosciamo. È questo il concetto del warp engine, il motore a curvatura tanto noto alla fantascienza.

Perché questa soluzione possa essere realizzata serve però una certa quantità di energia. Quanta? Beh, abbastanza: 10 alla 11 masse solari di energia. Uno zinzino fuori scala per le attuali tecnologie. Ah, poi c’è un piccolo particolare: dalle equazioni esce fuori che questa energia è “negativa”: esisterà anche fisicamente, oltre che teoricamente, ma non sappiamo come realizzarla. Ah, questi fisici teorici!

Lentz: il motore warp diventa “naturale”

Finisce qui la sospensione d’incredulità? Quella di Alcubierre sì, ma quella di Lentz riapre il cuore alla speranza. Come descritto in un recente e criticatissimo articolo di Erik Lentz scritto nel 2021, “Breaking the warp barrier: hyper-fast solitons in Einstein–Maxwell-plasma theory”, il fisico statunitense dichiara di aver trovato come creare energia negativa! Con questa tecnologia potremmo quindi creare bolle warp. Ma come è ben noto in fisica (e altrove), TANSTAAFL! There ain’t no such thing as a free lunch, non ci sono pasti gratis: tutto ha un costo che prima o poi si scopre.

Ovviamente il conto da pagare è di tipo energetico: per produrre 10 alla 11 masse solari di energia negativa servirebbe l’energia positiva di 10 alla 40 masse solari. Uno zinzinello fuori scala, verrebbe da dire, almeno finché non diventiamo una società energetica di tipo 3 secondo la mirabolante scala di Kardašëv, tanto nota che la citiamo e basta.

Comunque sia, quella lenza di Erik ha ottenuto un risultato straordinario: il motore a curvatura, che richiedendo energia irrealizzabile era bloccato dalle leggi della natura, diventa ora un “mero” problema tecnologico. il creatore dell’universo sembra aver lasciato un piccolo spiraglio per il viaggio a velocità molto maggiori di quella della luce.

Tecnicamente, però, questo viaggio non esiste. Infatti l’astronave resta ferma ed è l’universo a “muoversi” attraverso la deformazione, permettendo di visitare mondi lontani mantenendo la scansione temporale alla quale siamo abituati.

Conclusioni

I veri viaggi spaziali sono ancora del tutto fuori dal radar della nostra tecnologia. Periodicamente una cattiva stampa rilancia come nuove delle teorie ancora da verificare, generando in noi delle aspettative molto infantili. Peggio ancora, le false promesse di cattivi divulgatori c’impediscono di valutare correttamente gli incredibili risultati che la vera scienza sta continuamente spingendo in avanti.

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