La fisica nascosta che complica le vele solari interstellari

Se vogliamo raggiungere n’altra stella, la propulsione chimica non ci permetterà di arrivarci in tempi ragionevoli. Avremo bisogno di una tecnologia di propulsione diversa, e una delle più promettenti sembra essere la vela solare. Queste gigantesche superfici riflettenti costituiscono la base di molti progetti di missioni interstellari. Combinate con potenti laser che le spingono, possono essere accelerate a velocità irraggiungibili con qualsiasi altra tecnologia attualmente disponibile.

Tuttavia, secondo un nuovo articolo pubblicato sul server di preprint arXiv da Chao Shen e Jiaze Li dell’Istituto di Tecnologia di Harbin, una volta che queste missioni inizieranno a raggiungere una percentuale significativa della velocità della luce, si scontreranno con una forza di attrito generata dalla luce stessa.

L’articolo analizza le tre forze che i fotoni che colpiscono una vela solare esercitano su di essa. In ordine di efficienza decrescente, esse sono la luce incidente (la quantità di moto grezza dei fotoni che colpiscono la vela), la riflessione speculare (la quantità di moto impressa quando i fotoni rimbalzano perfettamente sulla vela) e la diffusione diffusa (la quantità di moto dei fotoni che vengono assorbiti dalla vela e poi riemessi in direzioni casuali).

Le vele solari raggiungono velocità enormi

Quando la vela solare inizia a raggiungere velocità relativistiche, è lì che iniziano i problemi. Man mano che si allontana dalla sua sorgente luminosa, inizia a subire un forte effetto Doppler. Con il diminuire della frequenza della luce, la spinta generata dalle tre componenti della luce si riduce rapidamente, rendendo sempre più difficile continuare ad accelerare.

La situazione peggiora ulteriormente quando la vela solare raggiunge il 75% della velocità della luce. A quel punto, entra in gioco un fenomeno chiamato aberrazione relativistica della luce. Dal punto di vista di un osservatore stazionario sulla Terra, la luce diffusa viene diretta in avanti, nella direzione di movimento della vela.

Poiché ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria, ciò significa che la diffusione diffusa – sebbene sia la più debole delle tre forze – diventa un attrito attivo sul sistema oltre il 75% della velocità della luce.

Va ammesso che la forza netta del laser di spinta rimane positiva a quel punto, ma il calo di efficienza è significativo. Vale la pena notare che l’articolo si concentra esclusivamente sulla dinamica radiativa e non tiene conto di fattori non radiativi, come la resistenza aerodinamica dovuta al gas o alla polvere interstellare, né affronta i limiti termici dei materiali della vela, come la potenziale fusione sotto l’azione di laser ad alta potenza.

L’articolo tratta il materiale della vela solare come uno specchio idealizzato. In pratica, gli ingegneri aerospaziali stanno esplorando metamateriali avanzati e cristalli fotonici sintonizzati su specifiche lunghezze d’onda laser. Questi materiali potrebbero potenzialmente sfruttare gli effetti di aberrazione discussi nell’articolo per autocorregersi e stabilizzare attivamente la traiettoria di volo della vela solare, assicurandosi che rimanga centrata nel fascio.

Ma siamo ancora lontani dal costruire e testare concretamente una vela solare interstellare a tutti gli effetti. Quando si viaggia così lontano, sorgono ulteriori complicazioni, come la curvatura dello spaziotempo, che l’articolo semplifica anch’esso.

Ma ogni passo avanti nella comprensione delle dinamiche di volo in un sistema del genere è un passo nella giusta direzione perché, quando alla fine decideremo di inviare una sonda verso un’altra stella, avremo bisogno di tutta l’ingegneria e la conoscenza possibili.

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