Il pianeta del tesoro: la RLS Legacy diventa realtà con le vele solari

La nave spaziale del film Disney non è fantascienza e ce lo dimostrano i satelliti con vele spinte dalla luce del sole e, di recente, anche dai laser

La R.L.S. Legacy, la nave a vele solari del film Disney Il pianeta del tesoro, che attracca allo spazioporto di Montressor.

Tra i tanti film Disney a cui la maggior parte di noi si è affezionata, non può certo mancare il classico del 2002 “Il pianeta del tesoro”, anche grazie alla meravigliosa colonna sonora italiana cantata da Max Pezzali. Il film, ispirato al romanzo di Stevenson “L’isola del tesoro”, ripropone la stessa storia, ma in un’ambientazione fantascientifica e steampunk. Tra le molte invenzioni spiccano le vele solari del windsurf del protagonista e della nave spaziale con cui salpa in cerca del tesoro, ma se vi dicessi che non sono solo fantasia?

La pressione di radiazione: un propellente a costo zero

Quando si parla di razzi, satelliti e missioni spaziali vengono subito in mente i lanci da Cape Canaveral e i grandi motori a reazione. Tali motori, necessari per fornire la giusta propulsione e arrivare sempre più in alto in atmosfera o addirittura sfuggire alla gravità terrestre, richiedono però enormi quantità di carburante e i problemi non sono pochi. In primo luogo, il carburante costa perché non è la comune benzina che mettiamo nell’automobile. In secondo luogo, aggiungere carburante al razzo significa anche aumentarne la massa: più massa c’è, più spinta serve, più carburante va messo… Insomma, è un gioco di equilibri molto complicato. Quando poi si arriva nello spazio, se l’oggetto in questione (satellite, telescopio spaziale…) deve allontanarsi e arrivare ad altri pianeti o oltre occorre trovare un modo di farlo muovere e continuare con il carburante ha evidenti limiti. Una soluzione efficiente e a basso costo è la pressione di radiazione, usata dalle cosiddette vele solari. Il termine “vela” non è casuale e, in effetti, non c’è molta differenza rispetto al veliero spaziale RLS Legacy su cui Jimbo, Silver, Doppler e il resto della ciurma salpano dal porto di Montressor. Arrivato alla giusta posizione, il satellite dispiega, infatti, una grande superficie riflettente sottile. Per capire come funziona dobbiamo fare un passo indietro e capire cos’è un’onda elettromagnetica. Innanzitutto, essa si comporta sia come onda che particella (un fatto che sconvolse parecchio i fisici nei due secoli scorsi): ciò le consente di trasportare un’energia che poi è trasferita alla vela come energia cinetica. Poi, si tratta della variazione simultanea del campo elettrico e magnetico e qui sta la chiave del successo. Quando l’onda arriva sul mezzo, per via del campo elettrico le cariche atomiche vengono polarizzate e cioè si spostano; ma una carica in moto in un campo magnetico è soggetta alla Forza di Lorentz. In poche parole, quando l’onda incide sulla superficie esercita una forza perpendicolare ad essa e cede energia: in particolare questa è trasmessa come energia cinetica e la superficie viene spinta. Si parla di pressione perché la forza è distribuita sulla superficie. Ora, nello spazio la luce non manca, almeno nel sistema solare: continuamente il sole ne emette e ciò consente alle vele di funzionare. In genere, la forza applicata è bassissima (se possedessimo bilance precisissime, pesarci con la luce accesa ci farebbe sembra più “grassi” di quanto non siamo), ma nello spazio l’attrito è praticamente nullo e ciò fa sì che la forza applicata risulti in una grande accelerazione.

Render grafico della sonda Mariner 10, lanciata nel 1973 e operante tra Mercurio e Venere, che dimostrò l’efficacia delle vele solari per le operazioni di manovra e controllo dell’assetto.

Un’idea vecchia di secoli realizzata solo di recente e dalla storia travagliata

A dire il vero, quella delle vele solari non è un’idea così tanto recente. Pur ignorando completamente i fenomeni fisici osservati e viaggiando esclusivamente con la fantasia, perfino Keplero (1571-1630) aveva ipotizzato una cosa simile: in una lettera a Galileo egli immagina viaggi verso altri pianeti su navi spinte da una brezza celeste, di cui supponeva l’esistenza in quanto vedeva che la coda delle comete punta sempre in direzione opposta al sole (e ci aveva preso perché ciò è dovuto al vento solare e anche alla pressione di radiazione esercitata dai fotoni). A lungo l’idea rimase una fantasia dei libri e ancora oggi è spesso ripresa in opere letterarie o cinematografiche: le navi volanti dell’universo di Shannara, una serie di libri scritta da Terry Brooks, sono alimentate da vele solari; si parla di uno yacht spaziale a vele solari nel romanzo del 1963 “Il pianeta delle scimmie”, scritto da Pierre Boulle; anche in un vecchio episodio di Doctor Who  si parla di navicelle spinte da vele solari. I principi fisici che ne spiegano il funzionamento risalgono al XIX secolo, con i lavori di James Clerk Maxwell (1831-1879), Pyotr Lebedev (1866-1912) e dell’esperimento condotto da Ernest Fox Nichols (1869-1924) e Gordon Ferrie Hull (1870-1956) nel 1901. Tuttavia, l’esplorazione spaziale era lungi dall’essere realtà. Solo a fine del secolo scorso i primi esperimenti di dispiegamento della vela e di utilizzo della stessa per piccole operazioni di manovra e stabilizzazione ebbero successo. La storia delle vele solari è dunque recente e come spesso capita in ambito spaziale, costellata di costosi errori e perfezionamenti continui. Nel 2001 un prototipo suborbitale (chiamato Cosmos1) fu lanciato dalla Planetary Society, assieme a Cosmos Studios e all’Accademia russa delle scienze, ma il razzo che doveva portarlo in orbita ebbe dei problemi e l’esperimento fallì. La stessa storia si ripeté nel 2005 con un altro progetto delle stesse organizzazioni e poi nel 2008, quando il Marshall Space Flight Center e l’Ames Research Center lanciarono il prototipo Nanosail-D con un razzo Falcon 1 (prodotto dall’allora giovane Space X, la società di Elon Musk). Un successo furono invece le operazioni del 2004 della ISAS, una società spaziale giapponese, in cui si riuscirono a dispiegare due diverse vele: una a forma di quadrifoglio e una a forma di ventaglio. Il primo vero successo è del 2010, quando la Japan Aerospace Exploration Agency (JAEA) lanciò la sonda IKAROS, acronimo di Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun. Era la prima sonda a usare la vela solare come sistema di propulsione principale e aveva lo scopo essenzialmente di testare la maggior parte degli aspetti legati all’efficienza della nuova tecnologia, oltre che studiare il vento solare e la polvere cosmica. Ad oggi, è ancora il dispositivo con la vela solare più grande che abbiamo mai lanciato, con una superficie di circa 200 m2.

La sonda spaziale IKAROS, il primo esempio di velivolo che sfrutta come propellente principale la pressione di radiazione. (fonte: isas.jaxa.jp)

Nel futuro delle vele solari, si prevede vento in poppa

Ovviamente i test non sono finiti: un nuovo sistema di dispiegamento è stato testato con successo nel 2015 con la missione Lightsail 1. A luglio 2019 è stata lanciata poi la missione Lightsail 2, sempre dalla PLanetary Society, che comprendeva un modulo costituito da tre Cubesat (un tipo di satellite miniaturizzato e componibile) delle dimensioni di appena 30x10x10 cm con una vela di 32 m2  e che opererà in coppia con il satellite Prox 1, sviluppato dall’Università della Georgia. L’importanza dell’esperimento tuttora in corso è quello di testare la possibilità di far operare più satelliti a vela solare per future missioni con intere flotte che potranno eseguire complesse operazioni come il volo in formazione. L’aspetto ancora adesso in fase di studio è l’orientabilità delle vele: fondamentale perché permette manovre di accelerazione, curva, frenata oltre ad aprire molte possibilità anche per l’esplorazione di zone molto lontane. Con satelliti molto leggeri sarebbe possibile ottenere velocità sorprendenti che ci porterebbero a un nuovo livello nello studio dello spazio. Per capirci, è in studio un progetto di un satellite inviato molto vicino al sole (circa 0,1 unità astronomiche, ovvero il 10% della distanza terra-sole) che riceverebbe una spinta tale dai fotoni da raggiungere in appena 2 anni e mezzo (una bazzecola per i tempi medi delle missioni spaziali) il confine del sistema solare. Gli ostacoli sono ancora molti e il primo fra tutti è proprio alla guida di queste vele. In tal senso, fanno ben sperare gli esperimenti (ancora una volta condotti con successo) datati all’inizio di quest’anno di vele spinte da raggi laser. Un gruppo di ricerca guidato da Grover Swartzlander del Rochester Institut for Technology di New York ha pubblicato i risultati dei test di questa tecnologia su Physical Review Letters. Il progetto è talmente promettente che potrebbe portare i satelliti a velocità relativistiche, ovvero frazioni significativamente alte della velocità della luce. Il problema è che le vele dovrebbero rimanere molto ben allineate con la direzione del fascio laser: per risolverlo i ricercatori hanno messo a punto una vela con una particolare “griglia di diffrazione” che deflette la direzione del fascio per mantenere sempre la vela perfettamente allineata col centro del fascio. Secondo gli stessi ricercatori siamo appena agli inizi, ma le speranze per il futuro sono altissime.

Il satellite Lightsail 2, l’esempio attuale dello sviluppo delle vele solari, usato per lo studio di volo in formazione e operazioni coordinate con altri satelliti.

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