Navicelle spaziali in miniatura delle dimensioni di un cellulare potrebbero volare attraverso il sistema solare utilizzando vele azionate da laser, che permetterebbero alla minuscola navicella spaziale di raggiungere velocità molto più elevate – e, potenzialmente, destinazioni molto più lontane – rispetto ai razzi a propulsione convenzionale, rileva un nuovo studio.
L’attuale navicella spaziale di solito impiega anni per fare viaggi all’interno del sistema solare; per esempio, della NASA Nuovi orizzonti sonda ha impiegato quasi 10 anni per raggiungere sughero.
In teoria, i veicoli spaziali che utilizzano razzi convenzionali impiegherebbero migliaia di anni per completare un viaggio interstellare. Per esempio, Alpha Centauri, il sistema stellare più vicino alla Terra, si trova a circa 4,37 anni luce di distanza – più di 25,6 trilioni di miglia (41,2 trilioni di chilometri), ovvero più di 276.000 volte la distanza dalla Terra al Sole. Ci vorrebbero quelli della NASA Viaggiatore 1 veicolo spaziale, lanciato nel 1977 e raggiunse lo spazio interstellare nel 2012, circa 75.000 anni per raggiungere Alpha Centauri anche se la sonda fosse diretta nella giusta direzione, cosa che non è.
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Il problema con tutti i propulsori a razzo è che il propellente che portano con sé ha massa. I lunghi viaggi richiedono molto propellente, il che rende i veicoli spaziali pesanti, che, a loro volta, richiedono più propellente, rendendoli più pesanti e così via.
Ricerche precedenti hanno suggerito che “navigazione leggera“potrebbe essere uno degli unici modi tecnicamente fattibili per portare un veicolo spaziale su un’altra stella nell’arco di una vita umana. Sebbene la luce non eserciti molta pressione, gli scienziati hanno a lungo suggerito che la poca pressione che applica potrebbe avere un effetto importante. In effetti, numerosi esperimenti hanno dimostrato che “vele solari“può fare affidamento sulla luce solare per la propulsione se il veicolo spaziale è abbastanza leggero e ha una vela abbastanza grande.
Infatti, i $ 100 milioni Colpo stellare rivoluzionario L’iniziativa, annunciata nel 2016, prevede di lanciare sciami di veicoli spaziali delle dimensioni di un microchip su Alpha Centauri, ognuno dei quali sfoggia vele straordinariamente sottili e incredibilmente riflettenti azionate dai laser più potenti mai costruiti. Il piano li fa volare fino al 20% della velocità della luce, raggiungendo Alpha Centauri in circa 20 anni.
Una delle principali sfide che Starshot deve affrontare è la costruzione dei laser necessari per la propulsione. Richiede un array laser a terra dell’ordine di 0,4 miglia quadrate (1 chilometro quadrato) e potente come 100 gigawatt, che sarebbe di gran lunga il laser più potente mai realizzato su terra.
Nel nuovo studio, i ricercatori suggeriscono che un array laser a terra più umile – uno largo da 3,3 a 33 piedi (da 1 a 10 metri) e una potenza compresa tra 100 kilowatt e 10 megawatt – potrebbe ancora rivelarsi utile inviando minuscole sonde attraverso il sistema solare, spingendoli a velocità molto più elevate di quanto potrebbero fare i motori a razzo.
“Tali laser possono essere costruiti oggi con un investimento relativamente piccolo”, ha detto a Space.com l’autore senior dello studio Artur Davoyan, uno scienziato dei materiali presso l’Università della California, a Los Angeles. “Non abbiamo bisogno di aspettare fino a quando non sarà disponibile un laser da 100 gigawatt.”
Andare interstellare su una scala temporale ragionevole impone più vincoli rispetto al viaggio all’interno del sistema solare. Ad esempio, Starshot mira a inviare sonde a un’altra stella nell’arco di una vita umana, quindi i suoi veicoli spaziali sono progettati per essere straordinariamente leggeri – ciascuno solo 0,035 once (1 grammo) circa – per volare il più velocemente possibile data la quantità di energia che ricevono .
Le vele laser per i viaggi interplanetari, al contrario, non devono essere così leggere. Gli scienziati immaginano veicoli spaziali per tali viaggi che vanno fino a 3,5 once (100 g) circa – una massa “paragonabile a quella di un tipico telefono cellulare”, ha detto Davoyan.
Invece Starshot deve affrontare vincoli di massa che rendono difficile il montaggio di tutti i sistemi e gli strumenti necessari per i veicoli spaziali in un’unica piattaforma, una sonda da 3,5 once “può essere facilmente equipaggiata con tutti i componenti necessari, inclusi spettrometri, accelerometri, rilevatori di particelle, telecamere e così via – tutta la chiave ingredienti per condurre una vera e propria missione scientifica in angoli remoti dello spazio “, ha detto Davoyan.
Inoltre, poiché un array laser può lanciare più di una sonda, potrebbe potenzialmente inviare una flotta di minuscole sonde, ciascuna con apparecchiature diverse, a una destinazione. “Ad esempio, uno potrebbe essere una sonda magnetometro, un altro dotato di una telecamera, il terzo fungere da rilevatore di particelle”, ha detto Davoyan. “Prevediamo che molte piccole sonde possono essere inviate a destinazioni davvero diverse per fare scoperte scientifiche”.
Inoltre, poiché i viaggi interplanetari non richiedono il tipo di potenti laser necessari con Starshot, non richiedono nemmeno grandi vele con il tipo di straordinarie proprietà del materiale necessarie per resistere alle molte esigenze del volo interstellare, come non vaporizzare alla luce di un laser così potente. I ricercatori hanno suggerito che vele di nitruro di silicio o nitruro di boro larghe circa 4 pollici (10 centimetri) dovrebbero essere sufficienti per i voli all’interno del sistema solare.
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“Il nostro lavoro è un primo passo verso missioni interplanetarie e nello spazio profondo veloci ea basso costo”, ha affermato Davoyan. “Vediamo che può emergere un nuovo modello per l’esplorazione dello spazio, in cui i singoli utenti, che in genere non hanno accesso allo spazio, potrebbero ora spendere solo poche migliaia di dollari e lanciare una vera missione nello spazio profondo”.
Gli array laser dell’ordine di 100 kilowatt sono già in fase di sviluppo da parte delle forze armate statunitensi; nel 2020, ad esempio, la nave da combattimento costiera della US Navy USS Little Rock ricevuto un laser da 150 kilowatt. Inoltre, il costo dei laser ad alta potenza sta diminuendo rapidamente ogni anno, spinto dalla necessità di telecomunicazioni ottiche, con laser da 1 kilowatt disponibili per meno di $ 10.000, ha osservato Davoyan.
“Stime approssimative lo dimostrano [a] Il laser beamer da 1 megawatt potrebbe essere costruito con meno di 100 milioni di dollari, che è molto meno della maggior parte delle missioni della NASA “, ha detto Davoyan. È importante sottolineare che, una volta costruito, il beamer può essere utilizzato e riutilizzato per lanciare più sonde in diverse direzioni . In sostanza, il raggio laser è un investimento di capitale iniziale e, una volta costruito, funge da trampolino di lancio. Il costo della missione consiste quindi nella produzione di sonde che, con l’uso della produzione di massa, possono essere dell’ordine di $ 100, nel lancio di sonde in orbita per meno di $ 100 per sonda e quindi nell’esecuzione di una missione durante la sua vita utile. Pertanto, nel complesso, l’approccio guidato dal laser offre costi molto bassi per l’esplorazione dello spazio”.
Gli scienziati hanno stimato che una vela laser da 0,035 once con una vela da 4 pollici guidata a velocità di circa 112.000 mph (180.000 km / h) potrebbe raggiungere Marte in 20 giorni, rispetto ai 200 giorni della NASA Rover della perseveranza; Giove in 120 giorni, rispetto ai cinque anni della NASA Giunone prove; Plutone in meno di tre anni, rispetto ai 10 anni del velivolo New Horizons della NASA; e 100 volte il distanza della Terra dal Sole in 10 anni, rispetto ai quasi 30 anni della navicella spaziale Voyager 1 della NASA.
“Il fatto che possiamo cambiare il modo in cui lo spazio viene esplorato già oggi con un investimento minimo è davvero energizzante”, ha affermato Davoyan. “Un tale approccio consente a quasi tutti di sviluppare e lanciare la propria missione, qualcosa che prima non era possibile. Sarebbe davvero emozionante vedere uno studente universitario inviare la propria sonda scientifica, ad esempio, su Giove”.
Gli scienziati ora sperano di testare e prototipare le loro idee. “Stiamo anche collaborando con l’industria e il governo per portare avanti alcuni dei progetti e delle idee che abbiamo”, ha affermato Davoyan. “Crediamo di poter fare davvero la differenza nel futuro dell’esplorazione spaziale”.
Gli scienziati hanno dettagliato le loro scoperte online. 31 nel diario Nano lettere.
Originariamente pubblicato su Space.com.