Sempre più veloci

La velocità massima raggiungibile da un mezzo meccanico, come tutti sanno, è la velocità della luce, cioè 300.000 km/s. Viaggiando a quella velocità, su una navetta spaziale, si raggiungerebbe la Luna in poco più di un secondo e Marte in alcuni minuti; si uscirebbe quindi dal sistema solare dopo solo sei ore di viaggio e si arriverebbe alla stella più vicina in quattro anni e quattro mesi.

 

VIAGGI FUORI DEL TEMPO

Un’astronave con uomini a bordo, tuttavia, non potrebbe raggiungere la velocità della luce immediatamente dopo la partenza, perché sarebbe impossibile aumentare la sua velocità fino a quel limite in un tempo molto breve. Un’accelerazione troppo violenta, d’altra parte, sarebbe anche estremamente pericolosa per l’equipaggio a bordo che verrebbe schiacciato contro la parete posteriore del mezzo, e le stesse strutture meccaniche del velivolo verrebbero irrimediabilmente danneggiate. Per evitare cambiamenti di velocità troppo bruschi si dovrebbe accelerare a valori non superiori a quello del campo gravitazionale terrestre, cioè, in pratica, aumentare la velocità di 9,8 metri al secondo per ogni secondo che passa. Con questa accelerazione l’uomo si sentirebbe perfettamente a suo agio e raggiungerebbe la velocità della luce nel giro di un anno. A quel punto la navetta avrebbe percorso una distanza pari a circa mezzo anno luce.

Arrivata ad una velocità molto prossima a quella della luce (una velocità esattamente uguale a quella della luce è irraggiungibile da un corpo materiale, mentre è possibile dalla luce, anzi per essa è obbligatoria) l’astronave continuerebbe il suo viaggio per inerzia. Viaggiando a quella velocità gli astronauti non si renderebbero conto del passare del tempo e dopo pochi giorni o poche settimane, a seconda di quanto la velocità è vicina al limite massimo, si arriverebbe ad una distanza di mezzo anno luce dalla meta. A quel punto si dovrebbe iniziare a decelerare con lo stesso ritmo con il quale si era accelerato alla partenza e, dopo un anno, si arriverebbe a destinazione.

Vediamo ora, prima di procedere, il motivo per il quale non è raggiungibile, da parte di un corpo materiale, la velocità della luce. Quando un corpo riceve una spinta esso, come tutti sanno, accelera. Se ora, il corpo che viaggia più veloce a causa della prima spinta, ne ricevesse una seconda di identica intensità, l’accelerazione non sarebbe la stessa di prima. Le leggi della relatività dicono infatti che le forze che spingono i corpi materiali vanno solo in parte ad aumentare la loro velocità: una frazione di esse va invece ad aumentare la loro massa. E quanto più queste forze agiscono su corpi che viaggiano già velocemente tanto maggiore è la parte di esse che si trasferisce nella massa dei corpi stessi invece che nella loro velocità. Quando un corpo materiale viaggia a velocità molto prossime a quelle della luce, le forze che lo spingono vanno quasi interamente ad aumentare la massa del corpo in movimento, mentre la velocità non aumenta quasi per niente.

Un viaggio verso Proxima Centauri, alla velocità della luce, non dovrebbe richiedere molto più di due anni e, considerando anche il tempo necessario per esplorare eventuali pianeti che si trovassero in prossimità dell’astro, in meno di cinque anni si dovrebbe andare e tornare dalla stella a noi più vicina. Sembra un tempo molto lungo, ma la cosa sorprendente è che più o meno lo stesso tempo si impiegherebbe per un viaggio di andata e ritorno da una qualunque altra stella o galassia perché il tempo che si perde in realtà è solo quello dell’accelerazione alla partenza e della decelerazione all’arrivo. Viaggi come questi sono attualmente irrealizzabili e forse lo saranno anche in futuro, comunque i problemi più seri, qualora si riuscisse ad avverare il sogno di spostarsi alla velocità della luce, inizierebbero al ritorno da queste esplorazioni.

La teoria della relatività dice infatti che viaggiando ad una velocità prossima a quella della luce il tempo passa molto lentamente, ma solo per l’equipaggio a bordo dell’astronave. Per tutti gli altri, e in particolare per gli abitanti della Terra, il tempo trascorre in modo normale. Vediamo quindi di capire il perché.

Immaginiamo di allontanarci, alla velocità della luce, da un orologio perfettamente funzionante che segna un’ora ben precisa, per esempio le 12. Si vedrebbe l’orologio segnare sempre le 12, come se fosse fermo, e questo perché l’immagine che proviene dall’orologio (che frattanto segna i minuti e le ore che passano), viaggia anch’essa alla velocità della luce e non ci può raggiungere in quanto noi ci stiamo allontanando da essa alla stessa velocità (è come se una persona corresse alla stessa velocità del cane che la insegue, questo non la raggiungerebbe mai). Se invece ci allontanassimo dall’orologio ad una velocità leggermente inferiore a quella della luce si vedrebbero le lancette muoversi lentamente e se si viaggiasse più velocemente della luce si vedrebbero le lancette dell’orologio andare all’indietro. Il fatto che il tempo procederebbe a ritroso suggerisce che è impossibile viaggiare più velocemente della luce. Se si potesse viaggiare nel passato si cadrebbe infatti in contraddizioni insanabili. Sarebbe possibile, ad esempio, conoscere la propria madre prima che questa diventi tale e magari ucciderla. Ma se la donna venisse uccisa non potrebbe dare alla luce il figlio il quale, non essendo nato non potrebbe nemmeno uccidere la donna che sarebbe poi diventata sua madre.

Ritorniamo ora ai nostri viaggi nello spazio. Abbiamo visto che un viaggio di andata e ritorno dalla Proxima Centauri, alla velocità della luce, durerebbe cinque anni per gli astronauti, ma più del doppio per gli abitanti della Terra i quali non si sono mossi alla velocità della luce. Questo tuttavia non produrrebbe gravi inconvenienti: ma se gli astronauti fossero andati e tornati da una stella più lontana o addirittura da una galassia le sorprese sarebbero incredibili e, per molti aspetti, drammatiche. Al ritorno dalla galassia di Andromeda, ad esempio, gli astronauti scoprirebbero che sulla Terra sono passati quattro milioni e mezzo di anni e il pianeta ha cambiato profondamente fisionomia. Forse non ci troverebbero più nemmeno la specie umana.

A parte i problemi legati alla durata, è veramente realizzabile un viaggio interstellare su un’astronave con uomini a bordo? Oggi siamo ben lontani dalla velocità della luce, ma vi sono ancora notevoli margini di miglioramento. Attualmente la massima velocità raggiunta da un’astronave (senza uomini a bordo) sfiora i centomila kilometri all’ora: una velocità 10.000 volte inferiore a quella della luce, che è di un miliardo di kilometri all’ora. Il traguardo sembra molto lontano, ma bisogna considerare che centocinquanta anni fa si viaggiava su carrozze trainate da cavalli ad una velocità media di poco più di dieci kilometri all’ora e di progressi se ne sono fatti se oggi ci si muove quasi diecimila volte più veloci di allora. Basterebbe moltiplicare la velocità attuale di altre diecimila volte per uguagliare la velocità della luce. Tuttavia, una cosa è dire, altra cosa è fare.

 

IL PROBLEMA DEL CARBURANTE

Fino ad ora le astronavi inviate nello spazio, con o senza uomini a bordo, erano tutte spinte da motori che funzionavano con i tradizionali combustibili chimici i quali, per questo tipo di imprese, sono una fonte di energia piuttosto scadente. Naturalmente si è scelto il combustibile migliore disponibile sul mercato, cioè quello che a parità di peso e di ingombro produce più energia. Questo combustibile è l’idrogeno che brucia combinandosi con l’ossigeno: a bordo del veicolo spaziale devono quindi trovare posto alcuni grandi serbatoi pieni di idrogeno e ossigeno liquidi. Dalla combinazione chimica di questi due elementi si forma acqua che esce con violenza dai tubi di scarico provocando, per reazione, la spinta dell’astronave nella direzione opposta.

Idrogeno e ossigeno occupano uno spazio considerevole dell’astronave, che assume dimensioni e peso enormi proprio per il combustibile e il comburente che servono per portarla in orbita. Nei viaggi all’interno del sistema solare, peraltro, il carburante tradizionale è ancora utilizzabile, ma quando si tratterà di organizzare viaggi interstellari l’impiego di combustibili chimici sarà insufficiente. La differenza fra un viaggio verso un pianeta del sistema solare e uno verso le stelle più vicine è la stessa che corre fra una passeggiata al centro del paese e il giro del mondo; al centro del paese si può anche andare a piedi, ma il giro del mondo a piedi, oltre che impossibile, nessuno si sognerebbe di farlo.

In verità i razzi nello spazio procedono per inerzia, quindi non è necessaria una spinta che duri per tutto il tempo del tragitto: è sufficiente il combustibile indispensabile per la spinta iniziale e la frenata finale, oltre a quello necessario per mantenere in funzione le apparecchiature interne alla navetta. In ogni modo si tratta pur sempre di una notevole quantità di energia.

Una forma di energia molto più ricca di quella chimica è l’energia nucleare. La disintegrazione nucleare dell’uranio produce energia milioni di volte più abbondante di quella che si sviluppa a seguito delle reazioni chimiche. Tuttavia, essa non sarebbe ancora sufficiente per rendere praticabile un viaggio interstellare. Anche con una navetta mossa da un motore nucleare ci vorrebbero 10.000 anni per arrivare alla stella più vicina.

Se invece che la fissione venisse impiegata la fusione nucleare si otterrebbe una fonte di energia ancora dieci volte maggiore. La fusione nucleare consiste nella aggregazione di quattro nuclei di idrogeno in un nucleo di elio. Si tratta di un processo non controllabile e quindi questa fonte di energia esiste solo sotto forma esplosiva, la bomba a idrogeno. Si è calcolato che se un’astronave venisse spinta dall’esplosione in rapida successione di migliaia di bombe H raggiungerebbe la Proxima Centauri in non meno di 130 anni, un tempo ancora eccessivo e comunque non compatibile con la durata della vita dell’uomo.

Infine vi è un’ultima possibilità, costituita dall’antimateria. L’antimateria può essere definita come la materia con il segno contrario. L’elettrone, ad esempio, è un corpuscolo con carica elettrica negativa, l’antielettrone (o positone) è lo stesso corpuscolo ma con carica elettrica positiva. Allo stesso modo il protone è un corpuscolo con carica elettrica positiva e l’antiprotone è lo stesso corpuscolo con carica elettrica negativa. Se si unisse un antiprotone con un antielettrone si otterrebbe un atomo di antiidrogeno, cioè un atomo di antimateria.

Quando l’antimateria viene a contatto con la materia svaniscono entrambe e al loro posto compare energia. La quantità di energia così prodotta è veramente enorme: 150 volte maggiore di quella che si potrebbe ricavare da una eguale quantità di idrogeno che si trasforma in elio attraverso il processo di fusione nucleare.

Facendo reagire materia ed antimateria si riuscirebbe ad accelerare una navetta spaziale fino alla velocità di 60.000 km al secondo (un quinto della velocità della luce). A quella velocità si andrebbe e si tornerebbe dalla stella più vicina in meno di 40 anni. Questo rappresenta un tempo accettabile per un viaggio interstellare e se si riuscisse a mettere a disposizione questa fonte di energia potrebbe darsi che qualche giovane temerario decidesse di dedicare la sua vita ad un’impresa del genere.

Tuttavia anche in questo caso non sarebbero tutte rose e fiori poiché rimarrebbero comunque molte difficoltà da superare, a cominciare dal rifornimento di antimateria, che non è disponibile come la benzina presso il distributore più vicino. Intanto bisognerebbe creare l’antimateria attraverso una serie di reazioni che richiedono l’utilizzo di apparecchiature molto costose; un altro problema deriverebbe poi dal fatto che l’antimateria reagisce immediatamente con qualsiasi oggetto materiale incontri sul suo cammino, ragion per cui, per portarsela dietro, sarebbe necessario isolarla all’interno di campi magnetici o elettrici.

Il problema più serio è però rappresentato dalla velocità, poiché viaggiando nello spazio ad una velocità molto sostenuta si correrebbe un rischio molto elevato di collisioni con meteoriti, in quanto non sarebbe possibile evitare l’ostacolo che si ponesse improvvisamente di fronte. E’ vero che nello spazio corpi materiali di grosse dimensioni sono molto rari, al punto che si potrebbe ipotizzare di fare un lungo viaggio senza imbattersi mai in oggetti del genere, tuttavia anche la polvere impalpabile a quella velocità diventa abrasiva. Gli stessi atomi di idrogeno colpendo la navetta diventerebbero ioni rendendo radioattiva la navetta e l’equipaggio a bordo arrostirebbe in breve tempo. In verità anche in questo caso si potrebbe ricorrere a qualche stratagemma, come ad esempio quello di usare un laser di potenza per “spazzare” la strada antistante all’astronave, ma la cosa richiederebbe tecnologie molto avanzate e un ulteriore consumo di energia di non facile reperimento.

Non c’è niente da fare, i viaggi interstellari di navette con uomini a bordo sembrano irrealizzabili e per ora dobbiamo accontentarci di quello che ci raccontano sull’argomento gli scrittori di fantascienza.

Di recente è giunta notizia che, nel Dipartimento di aeronautica del Massachusetts Institute of Technology di Boston, si stanno costruendo dei microrazzi, ovvero dei vettori non più grandi di una monetina in grado di lanciare nello spazio minuscoli satelliti. Si tratterebbe di nano-sonde grandi come granelli di polvere capaci di far pervenire a terra informazioni relative ai corpi celesti con i quali dovessero venire a contatto. Tali nano-sonde, proprio per le loro ridottissime dimensioni, sarebbero in grado di viaggiare a velocità molto prossime a quelle della luce, riducendo di molti ordini di grandezza tutti i parametri di rischio e semplificando notevolmente i problemi inerenti i consumi energetici. Nel giro di due anni dovrebbero venire lanciati nello spazio.

Prof. Antonio Vecchia

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