Il 31 ottobre 1936, sei giovani armeggiatori soprannominati i “Rocket Boys” si sono quasi inceneriti nel tentativo di liberarsi dalla gravità della Terra. Il gruppo si era rannicchiato in un burrone ai piedi delle San Gabriel Mountains in California per testare un piccolo motore a reazione alimentato ad alcol. Volevano dimostrare che i motori a razzo potevano avventurarsi nello spazio, in un momento in cui tali idee erano ampiamente accolte con il ridicolo. Quell’obiettivo fu interrotto quando una linea di ossigeno prese fuoco e si agitò selvaggiamente, sparando fiamme.
L’audacia dei Rocket Boys attirò l’attenzione dell’aerodinamico Theodore von Karman, che già lavorava con due di loro al Caltech. Non lontano dal luogo della loro infuocata disavventura, stabilì una piccola area di test dove i Rocket Boys ripresero i loro esperimenti. Nel 1943, il sito divenne il Jet Propulsion Laboratory (JPL), e von Karman il suo primo direttore. Da allora il JPL è cresciuto fino a diventare un tentacolare centro operativo della NASA con migliaia di dipendenti, ma è riuscito a mantenere la sua motivazione fondante: testare i limiti dell’esplorazione, al diavolo le convenzioni.
Hanno avuto molti successi nel corso degli anni. All’inizio degli anni ’70, gli ingegneri del JPL hanno costruito Pioneer 10, il primo veicolo spaziale a raggiungere la velocità di fuga dal sistema solare. Pochi anni dopo, seguirono con i Voyager 1 e 2, i più veloci tra i molti oggetti che puntano allo spazio interstellare. Dall’inizio dell’era spaziale al lancio delle navicelle Voyager – un periodo di soli due decenni – gli scienziati dei razzi hanno più che raddoppiato le velocità di volo. Ma nei decenni successivi, solo un’altra navicella ha seguito le Voyager fuori dal sistema solare, e niente lo ha fatto ad una velocità così elevata. Ora i razziatori del JPL stanno diventando di nuovo irrequieti, e stanno pianificando in silenzio il prossimo grande salto.
Il tema costante dei nuovi sforzi è che il sistema solare non è abbastanza. È tempo di avventurarsi oltre i pianeti conosciuti, verso le stelle. John Brophy, un ingegnere di volo al JPL, sta sviluppando un nuovo motore che potrebbe accelerare i viaggi nello spazio di un altro fattore 10. Leon Alkalai, un architetto di missione del JPL, sta tracciando un viaggio lontano che inizierebbe con un improbabile tuffo alla Icaro verso il sole. E lo scienziato ricercatore del JPL Slava Turyshev ha forse l’idea più selvaggia di tutte, un telescopio spaziale che potrebbe fornire uno sguardo intimo a un lontano pianeta simile alla Terra – senza effettivamente andarci.
Sono tutti colpi lunghi (non del tutto folli, secondo Brophy), ma se anche uno solo riuscisse, le implicazioni sarebbero enormi. I Rocket Boys e i loro simili hanno contribuito a lanciare gli esseri umani come una specie che viaggia nello spazio. L’attuale generazione al JPL potrebbe essere quella che ci porterà interstellare.
Rocket Reactions
Per Brophy, l’ispirazione è venuta da Breakthrough Starshot, un progetto stravagante e audace annunciato nel 2016 dal defunto Stephen Hawking e dal miliardario russo Yuri Milner. L’obiettivo finale del progetto è quello di costruire un array di laser largo un miglio che potrebbe far saltare un veicolo spaziale in miniatura al 20% della velocità della luce, consentendogli di raggiungere il sistema stellare di Alpha Centauri (il nostro vicino stellare più vicino) in soli due decenni.
Brophy era scettico ma incuriosito. Le aspirazioni ambiziose non sono una novità per lui. “Il JPL incoraggia le persone a pensare fuori dagli schemi, e le mie idee stravaganti stanno diventando più stravaganti nel tempo”, dice. Anche secondo questo standard, il concetto di Starshot lo ha colpito come un po’ troppo lontano dalla realtà tecnologica. Ma ha cominciato a chiedersi se poteva prendere lo stesso concetto ma ridimensionarlo in modo che potesse essere effettivamente realizzabile entro i nostri giorni.
Quello che ha particolarmente affascinato Brophy è stata l’idea di utilizzare un raggio laser in stile Starshot per aiutare a gestire l'”equazione del razzo”, che collega il movimento di un veicolo spaziale alla quantità di propellente che trasporta. L’equazione del razzo mette ogni aspirante esploratore spaziale di fronte alla sua logica crudele. Se vuoi andare più veloce, hai bisogno di più carburante, ma più carburante aggiunge massa. Più massa significa che hai bisogno di ancora più carburante per trasportare quel peso extra. Quel carburante rende il tutto ancora più pesante, e così via. Ecco perché c’è voluto un razzo da 1,4 milioni di libbre per lanciare le sonde Voyager da 1.800 libbre: Il peso iniziale era quasi interamente costituito da carburante.
Da quando si è laureato alla fine degli anni ’70, Brophy ha sviluppato un tipo di razzo molto più efficiente conosciuto come propulsione ionica. Un motore a ioni usa l’energia elettrica per sparare atomi caricati positivamente (chiamati ioni) fuori da un propulsore ad alta velocità. Ogni atomo fornisce solo una piccola spinta, ma collettivamente possono spingere il razzo ad una velocità molto maggiore di un razzo chimico convenzionale. Meglio ancora, l’energia necessaria per far funzionare il motore a ioni può provenire da pannelli solari – non sono necessari pesanti serbatoi o generatori a bordo. Spremendo più velocità da meno propellente, la propulsione a ioni va molto lontano verso l’equazione del razzo.
Ma i motori a ioni hanno i loro svantaggi. Più si allontanano dal sole, più sono limitati da quanta elettricità possono generare i loro pannelli solari. Puoi rendere i pannelli enormi, ma poi aggiungi un sacco di peso, e l’equazione del razzo ti sbatte di nuovo. E i motori a ioni hanno una spinta così delicata che non possono lasciare la terra da soli; ci vuole poi molto tempo nello spazio per accelerare fino alle loro velocità da record. Brophy conosce bene questi problemi: Ha aiutato a progettare il motore a ioni a bordo della navicella Dawn della NASA, che ha appena completato una missione di 11 anni verso l’asteroide Vesta e il pianeta nano Cerere. Anche con il suo formidabile arco di 65 piedi di celle solari, Dawn è andato da zero a 60 in quattro giorni senza fretta.
Ion the Prize
Mentre Brophy rifletteva su questa impasse tra motori efficienti e insufficiente energia solare, il concetto Breakthrough Starshot è uscito, e ha fatto girare gli ingranaggi nella sua testa. Si chiese: Cosa succederebbe se sostituissi la luce del sole con un raggio laser ad alta intensità puntato sulla tua navicella? Alimentato dal laser più efficiente, il tuo motore a ioni potrebbe funzionare molto più intensamente, pur risparmiando peso, non dovendo portare la tua fonte di energia a bordo.
Due anni dopo la sua epifania, Brophy mi sta facendo fare un giro in una camera di prova delle dimensioni di un SUV al JPL, dove mette alla prova un motore a ioni ad alte prestazioni. Il suo prototipo usa ioni di litio, che sono molto più leggeri degli ioni di xeno usati da Dawn, e quindi hanno bisogno di meno energia per raggiungere velocità più elevate. Funziona anche a 6.000 volt rispetto ai 1.000 volt di Dawn. “Le prestazioni di questa cosa sarebbero davvero sorprendenti se si avesse il laser per alimentarla”, dice.
C’è solo un piccolo problema: Quel laser non esiste. Anche se ha drasticamente ridimensionato il concetto di Starshot, Brophy immagina ancora un sistema laser spaziale da 100 megawatt, che genera 1.000 volte più potenza della Stazione Spaziale Internazionale, puntato precisamente su un veicolo spaziale che si allontana velocemente. “Non siamo sicuri di come farlo”, ammette. Sarebbe di gran lunga il più grande progetto di ingegneria off-world mai intrapreso. Una volta costruito, però, l’array potrebbe essere utilizzato più e più volte, con missioni diverse, come un razzo booster multiuso.
Come esempio, Brophy descrive un veicolo spaziale alimentato a ioni di litio con ali di 300 piedi di pannelli fotovoltaici che alimentano una versione a grandezza naturale del motore che sta sviluppando al JPL. Il laser bagnerebbe i pannelli con una luce cento volte più brillante della luce del sole, mantenendo il motore a ioni in funzione da qui a Plutone, a circa 4 miliardi di miglia di distanza. L’astronave potrebbe poi costeggiare la sua considerevole velocità, accumulando altri 4 miliardi di miglia ogni anno o due.
A quel ritmo, un’astronave potrebbe esplorare rapidamente le zone fioche da cui provengono le comete, o partire per il Pianeta 9 non ancora scoperto, o andare … quasi ovunque nelle vicinanze del sistema solare.
“È come se avessimo questo nuovo martello luccicante, così vado in giro a cercare nuovi chiodi da piantare”, dice Brophy sognante. “Abbiamo una lunga lista di missioni che si potrebbero fare se si potesse andare veloci”.
Pozzo interstellare
Dopo la geniale vertigine di Brophy, è uno shock parlare con Alkalai, responsabile della formulazione di nuove missioni alla Direzione Ingegneria e Scienza del JPL. Seduto nel suo grande ufficio di vetro, sembra proprio l’amministratore senza fronzoli, ma anche lui è un uomo con una visione esplorativa.
Come Brophy, Alkalai pensa che quelli di Breakthrough Starshot abbiano la giusta visione, ma non abbastanza pazienza. “Non siamo affatto vicini a dove dobbiamo essere tecnologicamente per progettare una missione verso un’altra stella”, dice. “Quindi dobbiamo iniziare a fare piccoli passi”.
Alkalai ha in mente un passo specifico. Anche se non possiamo ancora visitare un’altra stella, possiamo inviare una sonda per campionare il mezzo interstellare, il gas rado e la polvere che scorre tra le stelle.
“Sono molto interessato a capire il materiale fuori dal sistema solare. In definitiva, siamo stati creati da quello. La vita ha avuto origine da quelle nuvole di polvere primordiali”, dice Alkalai. “Sappiamo che c’è del materiale organico, ma di che tipo? Quali abbondanze? Ci sono molecole d’acqua? Sarebbe enorme da capire.”
Il mezzo interstellare rimane poco compreso perché non possiamo metterci le mani sopra: Una costante esplosione di particelle dal sole – il vento solare – lo spinge lontano dalla Terra. Ma se potessimo andare oltre l’influenza del sole, ad una distanza di 20 miliardi di miglia (circa 200 volte la distanza della Terra dal sole), potremmo finalmente esaminare, per la prima volta, campioni incontaminati della nostra galassia natale.
Alkalai vuole risposte, e vuole vedere i risultati in prima persona. Ha 60 anni, il che impone un programma aggressivo – non c’è tempo per aspettare i laser spaziali giganti. Invece, propone una tecnologia più semplice, anche se ancora non provata, conosciuta come un razzo termico solare. Porterebbe una grande scorta di idrogeno liquido freddo, protetto in qualche modo dal calore del sole, ed eseguirebbe un’immersione scioccante fino a circa 1 milione di miglia dalla superficie solare. Al massimo avvicinamento, il razzo lascerebbe entrare l’intenso calore solare, forse lanciando uno scudo. L’energia del sole vaporizzerebbe rapidamente l’idrogeno, mandandolo a correre fuori da un ugello del razzo. La spinta combinata dell’idrogeno che fuoriesce, e l’assistenza della gravità del sole, permetterebbe alla nave di iniziare il suo viaggio interstellare a velocità fino a 60 miglia al secondo, più veloce di qualsiasi oggetto umano finora – e da lì in poi diventa solo più veloce.
“È molto impegnativo, ma stiamo modellando la fisica ora”, dice Alkalai. Spera di iniziare a testare gli elementi di un sistema a razzo termico quest’anno, e poi sviluppare il suo concetto in una missione realistica che potrebbe essere lanciata nel prossimo decennio o giù di lì. Raggiungerebbe il mezzo interstellare un altro decennio dopo. Oltre a campionare il nostro ambiente galattico, una tale sonda potrebbe esaminare come il sole interagisce con il mezzo interstellare, studiare la struttura della polvere nel sistema solare e forse visitare un lontano pianeta nano lungo la strada.
Sarebbe un viaggio, dice Alkalai, “come niente che abbiamo fatto in passato.”
Catch A Glimpse
I razzi termici solari e i motori a ioni laser, per quanto impressionanti, sono ancora assurdamente inadeguati per attraversare il tremendo abisso tra il nostro sistema solare e gli esopianeti – pianeti che orbitano intorno ad altre stelle. Nello spirito dei Rocket Boys, Turyshev non lascia che l’assurdità lo fermi. Sta sviluppando un’astuta soluzione: una missione virtuale in un’altra stella.
Turyshev mi dice che vuole inviare un telescopio spaziale in una regione conosciuta come la lente gravitazionale solare (SGL). L’area inizia a 50 miliardi di chilometri di distanza, anche se è ancora centinaia di volte più vicina dei nostri vicini stellari più vicini. Una volta che si arriva abbastanza lontano nella SGL, succede qualcosa di meraviglioso. Quando si guarda indietro verso il sole, qualsiasi oggetto direttamente dietro di esso appare allungato, formando un anello, ed enormemente ingrandito. Quell’anello è il risultato dell’intensa gravità della nostra stella, che deforma lo spazio come una lente, alterando l’aspetto della luce dell’oggetto lontano.
Se ti posizioni correttamente all’interno del SGL, l’oggetto che viene ingrandito da dietro il sole potrebbe essere un intrigante esopianeta. Un telescopio spaziale che galleggia nella SGL, spiega Turyshev, potrebbe poi manovrare intorno, campionando diverse parti dell’anello di luce e ricostruendo i frammenti di luce piegata in istantanee megapixel del pianeta in questione.
Devo interromperlo qui. Ha detto megapixel, come la risoluzione che avete sul vostro cellulare con fotocamera? Sì, sta davvero parlando di un’immagine che misura 1.000 per 1.000 pixel, abbastanza buona per vedere dettagli più piccoli di 10 miglia di larghezza su un pianeta fino a 100 anni luce (600 trilioni di miglia!) di distanza.
“Potremmo sbirciare sotto le nuvole e vedere i continenti. Potremmo vedere i modelli meteorologici e la topografia, il che è molto eccitante”, dice Turyshev. Non ne parla, ma non ne ha bisogno: Quel tipo di risoluzione potrebbe anche rivelare megalopoli o altre gigantesche strutture artificiali, se dovessero esistere.
Assumendo che gli scienziati del JPL possano risolvere i problemi di trasporto per raggiungere l’SGL, la missione stessa è abbastanza semplice, anche se enormemente impegnativa. Turyshev e i suoi collaboratori (tra cui Alkalai) dovranno sviluppare un telescopio spaziale delle dimensioni di Hubble,
o una mini-flotta di telescopi più piccoli, che possa sopravvivere al viaggio di 30 anni. Avranno bisogno di perfezionare un’intelligenza artificiale di bordo in grado di eseguire operazioni senza guida da casa. Soprattutto, avranno bisogno di un obiettivo – un pianeta così intrigante che la gente è disposta a spendere decenni e miliardi di dollari per studiarlo. Il telescopio spaziale TESS della NASA sta facendo un po’ di quel lavoro di ricognizione proprio ora, scansionando mondi di dimensioni terrestri intorno alle stelle locali.
“In definitiva, per vedere la vita su un esopianeta, dovremo visitarlo. Ma una missione con lenti gravitazionali permette di studiare potenziali obiettivi molti decenni, se non secoli, prima”, dice allegramente Turyshev.
Un viaggio verso la SGL ci porterebbe oltre i piccoli passi di Alkalai, ben oltre il percorso verso l’esplorazione interstellare. È un altro obiettivo audace, ma almeno le probabilità di prendere fuoco sono molto più basse questa volta.
Corey S. Powell, un redattore di Discover, scrive anche per il blog Out There della rivista. Seguitelo su Twitter: @coreyspowell. Questa storia è apparsa originariamente in stampa come “Boldly Go.”
.
