Sognando l'Enterprise di Star Trek!

Questo approfondimento risponde alla curiosità di Lorenzo Carpinelli della classe 3a C che, da quando Curiosity è arrivato su Marte, ha cominciato a porsi domande intriganti su possibili viaggi nello spazio. L'astrofisico Giovanni Bignami ha recentemente scritto un articolo che risponde bene alla curiosità di Lorenzo. Vediamo di cosa si tratta.
Homo sapiens sapiens è una specie "cosmopolita, invasiva", come gli scarafaggi o i topi. Ha esplorato e conquistato ogni angolo del nostro pianeta. All'inizio lo ha fatto a piedi grazie all'energia dei muscoli, poi, sfruttando l'energia eolica, ha cominciato a solcare i mari e gli oceani e oggi, grazie all'energia dei combustibili fossili, cioè energia chimica, in poche ore ognuno di noi può andare da un continente all'altro.
L'energia chimica dei muscoli del corpo umano può raggiungere i 4 x 10-2 megajoule per chilogrammo (il joule è l'unità di misura dell'energia nel Sistema Internazionale ed è definito come l'energia necessaria per un lavoro in cui una forza di un newton viene applicata per una distanza di un metro, perciò la stessa quantità può essere riferita come 1 joule = 1 newton x 1 metro). L'energia, sempre chimica, dei razzi propulsori che hanno spinto l'uomo sulla Luna, è di circa 120 megajoule per chilogrammo, ma questa tipo di energia non può portarci al di là del nostro satellite. Infatti la distanza che riusciamo a percorrere nello spazio dipende dalla velocità alla quale si può spingere la massa che desideriamo trasportare e dal tempo a nostra disposizione. Ecco allora che possiamo parlare di sfere di esplorazione spaziale a seconda della velocità necessaria per raggiungerle.
Sfera 1: l'orbita terrestre. Ormai da qualche decennio andiamo in orbita e bastano 8 km/s per pochi minuti.
Sfera 2: Luna, andata e ritorno. E' necessario superare gli 11 km/s (vedi anche La velocità di fuga) e la massa combustibile da trasportare comincia ad essere limitante. Luglio 1969, missione Apollo 11, l'uomo mette piede per la prima volta sulla Luna e a condurcelo è il Saturn V, un razzo con a bordo quasi 3000 tonnellate di carburante.

La bella astronave Enterprise, della serie Star Trek.
(http://www.trainerscity.com/startrek/wgc_media/shipssource/Star-Trek-gallery-ships-0002.jpg)

Sfera 3: ora immaginiamo di voler arrivare su Marte. Dovremmo percorrere una distanza quasi mille volte superiore a quella che separa il nostro pianeta dalla Luna e l'energia chimica non ci basta più. Un tempo ragionevole per il viaggio potrebbe essere di circa un anno, la velocità da raggiungere dovrebbe essere compresa tra 30 e 50 km/s, la nave spaziale dovrebbe avere una buona schermatura anti-radiazioni, una serra, una palestra... Considerata la massa da trasportare e la durata del viaggio, l'energia necessaria per realizzarlo dovrebbe essere quella nucleare. Con la fissione dell'uranio 235 si possono ottenere 8 x 107 megajoule per chilogrammo, una resa energetica un milione di volte superiore a quella fornita dall'energia chimica. Una missione esplorativa su Marte potrebbe avere un costo di circa 1000-2000 miliardi di euro per venti anni di lavoro, tra progettazione e realizzazione (ma il costo, se ci fosse la volontà, non sarebbe proibitivo, basti pensare che le spese militari mondiali nel 2011 sono state di 1700 miliardi di euro!). Certo, bisognerebbe pensare ad un assemblaggio in orbita della nave spaziale, un po' come per la stazione orbitante internazionale, e bisognerebbe spedire in anticipo su Marte il carburante necessario per il ritorno. Il fisico Carlo Rubbia tra il 1998 a il 2002 ha lavorato ad un progetto simile, dimostrando che, tutto sommato, era alla portata delle nostre potenzialità tecnologiche. Il discorso cambia se si pensa ad una stazione permanente su Marte, che dovrebbe essere costruita sotto la superficie marziana, al sicuro da radiazioni e meteoriti e dovrebbe essere alimentata da una fonte energetica "portatile" a fissione nucleare... E qui cominciamo ad essere oltre i limiti delle nostre attuali possibilità tecnologiche.

Immaginando un'autostrada interplanetaria!
(http://www.nasa.gov/images/content/63114main_highway_med.jpg)

Se il progetto Marte si realizzasse, non sarebbe poi tanto più fantasioso arrivare fino a Giove, superando la fascia degli asteroidi. Alla velocità di 50 km/s, raggiungibile con la fissione nucleare, ci vorrebbero 4-5 anni. Certo, la nave dovrebbe avere una massa doppia o tripla di quella della nave con destinazione Marte. La massa in più sarebbe necessaria per un efficiente sistema di schermatura per proteggerci dalle particelle intrappolate nel forte campo magnetico gioviano... Ma ce la potremmo fare!
Sfera 4: da Giove ai confini del sistema solare. L'orbita dell'ex-pianeta Plutone è ad una distanza pari a 40 volte quella tra la Terra e il Sole. Avremmo bisogno di una velocità di almeno 500 km/s e non meno di dieci anni di viaggio. L'idea di inviare prima il combustibile per tornare non sembra in questo caso realizzabile e allora per la nostra nave ancora più grande e autonoma dovremmo ricorrere all'energia ottenuta per fusione nucleare, che ha una potenzialità di 3 x 108 megajoule per chilogrammo. E da qui potremmo studiare con accuratezza l'origine del sistema solare... E visto che siamo entrati nel mondo della fantascienza, cosa ci servirebbe per spingerci oltre il sistema solare?
Sfera 5: 20 anni luce da noi, alla scoperta di centinaia di stelle e sistemi planetari. La velocità che ci serve è di almeno 50000 km/s, una frazione della velocità della luce, energie dell'ordine di 1011 megajoule per chilogrammo. L'autore dell'articolo parla di una fonte energetica difficile anche da dire: l'annichilazione materia-antimateria... Siamo proprio arrivati a sognare e di fantasia in fantasia potremmo immaginare la nostra Enterprise con un propulsore a curvatura, capace di contrarre lo spazio e di portarci a velocità superiori a quelle della luce!!! E sarebbe, forse, un viaggio senza ritorno... Io, comunque, acquisterei il biglietto, e voi?

Referenze
Giovanni Fabrizio Bignami (2012) Superare i confini del sistema solare. Le Scienze, 531: 94-99.

Manuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it)