Rappresentazione artistica di un’astronave in grado di compiere viaggi interstellari [Max Barry / NationStates]

Un’astronave-chimera per raggiungere Alfa Centauri in sedici anni?

Solar One è l’idea di un’astronave interstellare in grado di raggiungere Alfa Centauri in sedici anni con un equipaggio di due astronauti. È basata sull’integrazione di tre tecnologie già esistenti, nate però per scopi differenti: un reattore nucleare a fissione “portatile”, una vela solare e un sistema di arma laser mobile, montato sugli aeroplani. Purtroppo, però, così come è concepito, il sistema di propulsione non potrebbe funzionare

Il sogno del viaggio interstellare

Fin dall’inizio dell’era spaziale, l’umanità ha accarezzato il sogno del viaggio interstellare. Ma riuscire a superare in tempi umanamente ragionevoli l’abisso di spazio che ci separa anche solo dalle stelle più vicine è un’impresa titanica. Per raggiungere le due stelle centrali del sistema triplo di Alfa Centauri bisogna percorrere 4,24 anni luce, cioè oltre 40.000 miliardi di km [1]. Per arrivare alla stella di Barnard, appena un po’ più lontana, gli anni luce da attraversare sono quasi 6, pari a 56.400 miliardi di km [2].

Per avere un’idea delle distanze che sono attualmente alla portata delle nostre tecnologie, ci torna utile una missione di grande successo: quella della sonda New Horizons. Lanciata il 19 gennaio 2006, dopo aver fotografato Plutone e le sue lune nel 2015 e l’oggetto transnettuniano Arrokoth nel 2019, si trova oggi a 7 miliardi di km dalla Terra. Ha impiegato quasi 14 anni e mezzo per percorrere una distanza minuscola, se rapportata ad un viaggio interstellare. Le due stelle di Alfa Centauri sono oltre 5.700 volte più lontane di così, la stella di Barnard 8.000 volte.

Bastano questi pochi dati per capire che servono tecnologie del tutto differenti dalla propulsione chimica, usata da New Horizons, Cassini, Voyager e innumerevoli altre sonde, per compiere un viaggio interstellare in tempi compatibili con la durata della vita umana. Non vanno bene neppure i **motori ionici, come quelli utilizzati nelle missioni Deep Space 1 e Dawn, perché costruiscono la loro accelerazione con lentezza esasperante. Servono invece dei sistemi in grado di accelerare un velivolo spaziale fino a una frazione significativa della velocità della luce** impiegando non più di qualche anno.

Una possibile soluzione fu proposta negli anni ’70 del secolo scorso dal Progetto Daedalus. Sotto l’egida della British Interplanetary Society, dal 1973 al 1978 un gruppo di ingegneri elaborò gli schemi costruttivi di una gigantesca astronave alta come un grattacielo, pesante 54.000 tonnellate, da costruirsi in orbita intorno alla Terra. L’astronave, alimentata da un avveniristico motore a fusione nucleare, sarebbe stata in grado di raggiungere una velocità finale di 0,12 c (36.000 km/s), con un tempo di viaggio di 46 anni per raggiungere la stella di Barnard, meta designata dell’impresa.

Un modello del secondo stadio dell’astronave del Progetto Daedalus [Adrian Mann]

Daedalus non prevedeva un equipaggio umano. Dopo circa 25 anni dalla partenza, i due telescopi ottici da 5 metri e i due radiotelescopi da 20 metri a bordo del secondo stadio dell’astronave, avrebbero iniziato a scandagliare automaticamente lo spazio intorno alla stella di Barnard, alla ricerca di eventuali pianeti da fotografare e analizzare con spettroscopi e altri strumenti scientifici. Ma il progetto era troppo ambizioso e costoso, sicché non passò mai dalla fase ideativa a quella realizzativa. I problemi tecnici da superare erano immensi, a cominciare dalla necessità di procurarsi grandi quantità di **elio-3**, che, insieme al deuterio, costituiva l’ingrediente principale della miscela necessaria ad alimentare l’ipotetico motore a fusione. Così il progetto fu abbandonato, lasciando in eredità alle generazioni successive il sogno, tuttora irrealizzato, del viaggio interstellare.

Da allora, purtroppo, non sono stati fatti grandi passi in avanti. Ad oggi, l’unica iniziativa che può contare su una base di capitale economico e scientifico per provare a realizzare quel sogno è l’iniziativa Breakthrough Starshot, annunciata nel 2015. L’idea alla base del progetto è quella di inviare verso Proxima Centauri una flotta di mille nanosonde sospinte da vele solari. L’accelerazione verrebbe impressa alle vele dalla pressione di radiazione prodotta da un gigantesco impianto laser da 100 GW, situato sulla Terra, ancora tutto da costruire. Grazie a tale spinta, le nanosonde dovrebbero essere in grado di raggiungere una velocità finale di 0,15 c (44.000 km/s), sufficiente per arrivare a destinazione in una ventina d’anni.

Una rappresentazione artistica del gigantesco impianto laser che dovrebbe essere realizzato per accelerare le vele solari delle nanosonde dirette verso Proxima Centauri[Breakthrough Starshot]

Anche in questo caso, tuttavia, i problemi non mancano. Il primo e più grave è la massa minuscola delle sonde. Infatti, affinché la pressione di radiazione prodotta dal laser sia sufficiente a imprimere l’accelerazione necessaria alle vele solari, ciascuna sonda non potrà pesare più di 1 grammo tutto compreso. Fotocamere, batteria, sistemi elettronici e di comunicazione, insomma tutto ciò che serve alla missione, dovrà essere miniaturizzato fino al massimo grado possibile.

L’iniziativa proposta da Breakthrough Starshot è sicuramente molto più economica e tecnicamente fattibile rispetto al ciclopico progetto Daedalus. Ma pecca probabilmente per l’eccesso opposto: troppa semplificazione per restare nei limiti di massa e quasi nessuna capacità di esplorare realmente i pianeti in orbita intorno a Proxima Centauri. Se mai riusciranno ad arrivare nei pressi della nana rossa, le nanosonde sfrecceranno attraverso il suo sistema planetario a oltre 40.000 km/s, senza la possibilità di rallentare e con una dotazione scientifica ridotta all’osso. Sarà un grande colpo di fortuna se l’intera missione darà come suo frutto principale l’immagine sfocata, grande al massimo qualche pixel, di Proxima b o di qualche altro pianeta in orbita intorno alla nana rossa. Per carità, ottenere immagini dirette degli esopianeti più vicini al Sistema Solare sarebbe sicuramente un risultato scientifico di portata epocale, ma lascerebbe anche un po’ di amaro in bocca. Verrebbe da pensare: quel puntino indistinto è davvero il massimo risultato ottenibile da una missione interstellare?

Rappresentazione artistica di una vela solare accelerata da una potente griglia di laser costruita sulla Terra, secondo l’idea proposta dal progetto Breakthrough Starshot

Bisogna avere il coraggio di riconoscere che un’esplorazione mirata e davvero fruttuosa del sistema planetario di Proxima Centauri sarebbe possibile soltanto se si inviasse da quelle parti, non una flotta di minuscoli giocattoli robotici, per quanto sofisticati, ma un’astronave vera e propria con un equipaggio umano a bordo. L’idea suona al momento del tutto fantascientifica, dato che non siamo riusciti ancora a inviare neppure un essere umano su Marte, che potrebbe essere raggiunto con un viaggio decine di migliaia di volte più breve. Come possiamo allora anche solo immaginare di spedire un equipaggio umano in un viaggio interstellare?

La chiave della domanda sta appunto nella parola “immaginare”. Immaginare non costa nulla, anche se l’oggetto delle proprie fantasie spaziali cammina pericolosamente al confine tra scienza e fantascienza. E a volte dall’immaginazione nascono idee affascinanti. È il caso di un documento pubblicato su un server di prestampa a febbraio 2020, il cui autore, Alberto Caballero, è un astrofilo impegnato in un progetto per la ricerca collaborativa di esopianeti con il metodo del transito.

Solar One, un’astronave-chimera

L’idea presentata da Caballero è quella di un’astronave-chimera, che egli propone di chiamare Solar One. A scanso di equivoci, l’uso del termine ‘chimera’ non compare nel documento di Caballero. È una mia aggiunta, ma comprensibile, se si guarda al contenuto dell’idea.

Una riproduzione della chimera di Arezzo. L’originale etrusco in bronzo, custodito presso il Museo Archeologico di Firenze, risale al IV secolo a.C.

La chimera, nella mitologia greca, era un mostro con testa e corpo di leone, una seconda testa di capra sulla schiena, e una coda di serpente fornita anch’essa di testa. Era insomma l’aggregazione, misteriosamente viva e terrificante, di tre animali del tutto differenti. In modo simile, l’astronave interstellare pensata da Caballero sarebbe, se mai fosse costruita, il risultato della fusione e della coesistenza di tre diverse tecnologie, ciascuna nata e sviluppatasi in modo del tutto indipendente dalle altre due.

La prima tecnologia è il Megapower Reactor, sviluppato dal Los Alamos National Laboratory. Si tratta di un reattore nucleare a fissione “portatile”, nel senso che è stato pensato per essere trasportato nel rimorchio di un TIR, con lo scopo di fornire energia elettrica, per diversi anni di seguito, a piccole città o impianti situati in località molto isolate. Ha un peso inferiore alle 40 tonnellate ed è in grado di erogare 2 MW di elettricità in modo continuo per 12 anni. Il reattore, che non richiede l’uso di acqua per essere raffreddato, contiene una miscela di ossido di uranio, arricchito fino al 19,5% con uranio-235.

Il reattore nucleare Megapower sviluppato dallo statunitense Los Alamos National Laboratory ha dimensioni compatibili con il vano di carico di un TIR

La seconda tecnologia è una vela solare, sul modello di quella adottata dal progetto *Sunjammer* della NASA (cancellato nel 2015), ma molto più grande.

La terza tecnologia è una versione potenziata di HELLADS (High Energy Liquid Laser Area Defense), un’arma basata su un laser ad alta energia, sviluppata dalla DARPA, un ente di ricerca governativo degli Stati Uniti.

Come verrebbero utilizzate queste tre tecnologie per accelerare un’astronave interstellare? Seguiamo in proposito la spiegazione di Caballero:

L’idea dietro Solar One è di combinare i tre progetti. Un’astronave con un equipaggio di due persone e una massa totale di 91 tonnellate (32 tonnellate per il reattore, 50 per il sistema laser, 4 tonnellate di combustibile e 5 tonnellate ripartite tra struttura, attrezzature varie ed equipaggio) potrebbe essere sospinta da una vela solare di circa 1600 × 1600 metri e raggiungere la velocità di 0,3 c, con un’accelerazione e una decelerazione costanti durante il primo e l’ultimo anno e mezzo del viaggio.

In pratica, il reattore nucleare servirebbe per produrre l’energia necessaria ad alimentare il laser. Il laser, a sua volta, avrebbe il compito di esercitare pressione sulla vela solare, fornendo accelerazione al velivolo.

L’idea di Caballero ricicla in parte il principio alla base del progetto Breakthrough Starshot, cioè l’impiego di un laser per accelerare una vela solare. Purtroppo, però, montare il cannone laser sull’astronave e usarlo in combinazione con una vela solare sarebbe molto meno efficiente rispetto alla spinta garantita alla vela da un laser situato sulla Terra [3] (non da ultimo per il fatto che, spostando la sorgente di energia fuori dal velivolo, diminuisce notevolmente la massa che deve essere accelerata). Non è un caso che tutti i progetti di propulsione fotonica concepiti a partire dagli anni ’60 in poi sono basati sull’idea di avere sistemi laser con potenza di GW o anche di TW posizionati sulla Terra (talvolta anche nello spazio), ma mai sull’astronave [4].

Una vela solare da 20 metri, in fase di test presso il Glenn Research Center della NASA in Ohio. I tecnici che la osservano appaiono minuscoli al suo confronto. Eppure una vela di questa grandezza sarebbe a dir poco insignificante rispetto alla vela con lato da 1600 vetri, ipotizzata per la missione interstellare della Solar One [NASA/MSFC]

Facciamo finta, comunque, che l’idea proposta da Caballero possa funzionare così com’è, e seguiamo, per il piacere dell’argomento, lo sviluppo di questa ipotetica missione interstellare.

Nello schema proposto dall’autore, il laser montato sull’astronave dovrebbe essere in grado di erogare una spinta continua di circa 170.000 newton [5] per 1,52 anni. In tal modo la Solar One verrebbe accelerata fino a una velocità finale di 0,3 c, con un’accelerazione costante pari a 0,18 g, cioè 1,87 m/s².

Una volta raggiunta la velocità di crociera, la vela solare verrebbe poi ripiegata, così da evitare il rischio che possa essere danneggiata o distrutta da eventuali detriti spaziali durante la fase di volo in cui non è utilizzata. Il grosso del viaggio verso il sistema di Alfa Centauri si svolgerebbe appunto in questa modalità, per una durata complessiva di 13 anni. Il progetto prevede infine una fase di rallentamento, simmetrica a quella di accelerazione, della durata anch’essa di 1,52 anni. Dopo aver dispiegato nuovamente la vela solare, un sistema idraulico avrebbe il compito di ruotare il laser di 180°, così che l’impulso colpisca questa volta il lato opposto della vela, rallentando gradualmente il velivolo fino ad annullare l’accelerazione impressa alla partenza.

Un aereo nel cui muso è installato il sistema d’arma Boeing YAL-1, dotato di un laser in grado di erogare una potenza nell’ordine dei MW. Gli Stati Uniti hanno cancellato questo programma di difesa aerea, ritenendolo troppo dispendioso a fronte dei benefici ottenibili [U.S. Air Force]

Gli oltre quattro anni luce tra la Terra e Alfa Centauri potrebbero così essere percorsi in un tempo totale di circa 16 anni, viaggiando a una velocità media di 0,2715 c (81.394 km/s).

Arrivati in vista della destinazione, gli astronauti potrebbero cominciare finalmente a scandagliare il cielo alla ricerca di pianeti. Trovata una meta degna di essere esplorata da vicino, avrebbero la possibilità di entrare in orbita intorno a quel pianeta e potrebbero perfino inviare delle sonde robotiche sulla sua superficie, per ottenere informazioni più dettagliate. Caballero immagina addirittura la possibilità che i due intrepidi astronauti scendano direttamente sulla superficie di un esopianeta, una volta accertatisi che possieda un’atmosfera respirabile dagli umani.

Resta il problema di come lanciare nello spazio, dalla Terra, un’astronave del peso di oltre 90 tonnellate. Niente paura! Per questo c’è la buona, vecchia propulsione chimica, offerta dall’ex BFR di SpaceX, da qualche tempo ribattezzato Starship. Il super-razzo è in fase di sviluppo da diversi anni e dovrebbe essere pronto per il primo lancio entro il 2022. Composto da due stadi completamente riutilizzabili, promette bassi costi di lancio per carichi fino a 100–150 tonnellate.

Una rappresentazione artistica del razzo Starshot di SpaceX, mentre rilascia un satellite in orbita intorno alla Terra. Non ancora operativo, si prevede che questo lanciatore sarà in grado di portare in orbita carichi fino a 100 tonnellate e oltre, rendendo così possibile il lancio dell’ipotetica astronave interstellare Solar One [SpaceX]

A proposito di costi, tempi e rischi

Caballero appare estremamente ottimista a proposito dei costi e delle chance di realizzazione della sua astronave interstellare. Nelle conclusioni del documento in cui presenta l’idea sostiene che il costo totale dell’impresa potrebbe essere mantenuto sotto i 100 milioni di dollari e che la Solar One potrebbe essere pronta per il lancio prima del 2030. A mio parere, entrambe le previsioni sono inattendibili. Costi e tempi sono gravemente sottostimati.

Per quanto riguarda il costo complessivo dell’impresa, Caballero si limita a sommare i budget, peraltro datati, da allocare per il reattore nucleare (16 milioni di dollari), per la vela solare (27 milioni di dollari), per un laser modello-HELLADS (21 milioni) e per il lancio (30 milioni di dollari), come se bastasse mettere insieme queste voci di spesa per avere un’astronave interstellare pronta a partire. Magari! Mancano completamente da questo preventivo di spesa tutte le voci relative all’integrazione delle tre tecnologie in un prototipo funzionante nonché tutte le voci relative alle attrezzature necessarie alla sopravvivenza degli astronauti e alla produzione degli strumenti scientifici per l’esplorazione del sistema planetario di destinazione.

Prima di spedire degli esseri umani verso un’altra stella in una missione senza ritorno, serviranno lunghi e costosi anni di ricerca e sviluppo (anni da impiegare, soprattutto, per sviluppare e testare un sistema di propulsione affidabile ed efficiente, diverso da quello dell’accoppiata laser-vela solare a bordo dell’astronave). Una volta nello spazio, infatti, tutto dovrà funzionare alla perfezione, perché, se si rompe qualcosa, non ci sono lungo la strada officine dove fermarsi per una riparazione o per comprare pezzi di ricambio. Il reattore nucleare, per esempio, dovrà essere in grado di produrre elettricità al ritmo richiesto per almeno trenta anni. Il sistema di propulsione dovrà erogare la spinta necessaria a raggiungere la meta per tutto il tempo che servirà. E ogni elemento del velivolo dovrà riprendere a funzionare perfettamente anche dopo anni di non utilizzo.

L’uso di una vela solare costituisce di per sé uno dei maggiori fattori di rischio in una simile avventura spaziale. Con una superficie totale di 2,56 milioni di metri quadrati, sarebbe fatalmente esposta all’impatto di micro-meteoroidi, con il rischio di subire lacerazioni più o meno gravi. La sua struttura dovrà pertanto essere progettata in modo da ridurre al minimo la propagazione dei danni in caso di perforamento. Inoltre, dovranno essere disponibili sistemi automatici per sostituire intere sezioni danneggiate della vela. Tutto ciò è tecnologicamente fattibile, ma costa e richiede tempo per la progettazione e la necessaria fase di test.

L’elemento più critico in assoluto resta, a mio parere, la creazione di un habitat di pochi metri cubi, in cui gli astronauti dovrebbero trascorrere tutto il resto della loro vita. La possibilità che si trasferiscano sulla superficie di un esopianeta è infatti a dir poco remota: non solo per l’improbabilità di trovare un’atmosfera respirabile, ma anche per la mancanza di alloggio e mezzi di sussistenza su un pianeta del tutto ignoto. Sarebbe impossibile per loro anche ritornare sulla Terra, una volta terminata l’esplorazione scientifica di Proxima b (o di un altro esopianeta), a meno di non aumentare radicalmente la capacità del reattore nucleare di fornire energia. Ma ciò porterebbe, molto probabilmente, a sforare i limiti di dimensioni e di massa utili per il lancio.

Come sarà l’interno di un’astronave interstellare? Quante comodità sarà possibile concedere agli astronauti nei limiti di massa e spazio disponibili? Questo concept di ambiente “domestico”, per esempio, è inattuabile in assenza di un sistema di gravità artificiale

In breve, per una simile missione servirebbe un equipaggio di eroi. Gli astronauti dovranno essere selezionati non solo in base alla preparazione tecnico-scientifica e alle doti fisiche, ma soprattutto in base alle doti caratteriali. Servono persone eccezionali per abbandonare la Terra sapendo di non poter tornare indietro, pronte a trascorrere decenni rinchiusi in una scatola volante di pochi metri cubi. La loro solitudine sarebbe assoluta. Allontanandosi dalla Terra, vedrebbero aumentare di continuo il tempo di latenza tra l’invio di un messaggio e l’arrivo della relativa risposta; un tempo che si dilaterebbe progressivamente fino a diventare di anni interi.

L’astronauta americano Scott Kelly ha trascorso un anno a bordo della ISS, a differenza del gemello Mark rimasto sulla Terra. Le analisi scientifiche compiute sui due gemelli hanno rivelato in Scott Kelly alcuni cambiamenti sorprendenti. Uno riguarda l’allungamento dei telomeri, sorta di microscopiche capsule che rivestono e proteggono i cromosomi. Quest’allungamento è associato con una maggiore longevità, ma anche con un aumento del rischio di ammalarsi di cancro. Altri cambiamenti riguardavano l’espressione genica, in particolare a livello dei mitocondri (le centrali energetiche delle nostre cellule) e del sistema immunitari

Naturalmente, tali considerazioni hanno senso solo nell’ipotesi che un’astronave come la Solar One possa effettivamente essere costruita e lanciata. Per il momento, siamo lontanissimi da una simile capacità tecnico-scientifica. Gli effetti sul corpo umano di anni di permanenza nello spazio sono ignoti. Tutti gli esperimenti compiuti finora si limitano a un anno, o poco più, trascorso in bassa orbita terrestre a bordo della Stazione Spaziale Internazionale, come nel caso dell’esperimento che ha coinvolto i gemelli astronauti Mark e Scott Kelly.

Non conosciamo quali adattamenti e, soprattutto, quali danni fisici, cognitivi, psicologici possono colpire esseri umani obbligati a rimanere nello spazio per decenni, rinchiusi all’interno di un ambiente angusto, senza la gravità terrestre, senza la possibilità di avere contatti con altri esseri umani, senza esposizione diretta alla luce solare e senza poter respirare aria pura. Inoltre, non esiste al momento alcun prototipo di capsula spaziale in grado di creare un ambiente in cui gli astronauti possano vivere per lunghi anni; un ambiente dotato per esempio di gravità artificiale, micro-serre o strutture ricreative. È molto difficile che qualcosa di simile possa essere prodotta nel giro di pochi anni. Soprattutto è molto difficile, per non dire impossibile, che una “casa” per gli astronauti, le provviste per sopravvivere nello spazio per decenni e gli strumenti scientifici per esplorare nuovi mondi possano essere stipati nei limiti di spazio e di massa che anche un super-razzo come lo Starship di SpaceX deve rispettare.

Per tali motivi, la mia opinione è che un viaggio interstellare con equipaggio umano non sarà possibile prima di almeno cinquant’anni, forse di più. E, quand’anche sarà diventato finalmente fattibile, lo sarà non al costo irrisorio di 100 milioni di dollari, ma di diverse decine di miliardi di dollari, considerando i decenni preliminari spesi in ricerca e sviluppo. Sarà un’impresa che solo una forte volontà politica internazionale potrà trasformare in realtà.

Nautilus-X è un progetto, mai realizzato, della NASA per una stazione spaziale con moduli dotati di gravità artificiale, creata dalla forza centrifuga generata dalla rotazione. Implementare una simile soluzione in un’astronave è piuttosto problematico (al diminuire del raggio dell’unità rotante, deve aumentare la velocità angolare, per produrre una forza paragonabile all’accelerazione di gravità terrestre)

Note

[1] Per l’esattezza 4,01×10¹³ km, pari a 268.100 unità astronomiche. Una unità astronomica è la distanza media tra la Terra e il Sole. La distanza di Alfa Centauri è ricavata dalla misura dell’angolo di parallasse, pari a 0,768 millesimi di secondo d’arco.

[2] 5,64×10¹³ km, cioè oltre 377.000 unità astronomiche. La distanza della Stella di Barnard è ricavata dalla misura dell’angolo di parallasse, pari a 0,547 millesimi di secondo d’arco.

[3] Ringrazio **Marco Di Lorenzo** per la segnalazione e l’utile scambio di opinioni.

[4] Si veda per esempio la disamina contenuta in Young K. Bae, *Prospective of Photon Propulsion for Interstellar Flight*, Physics Procedia, 38, 2012.

[5] Il newton è l’unità di misura della forza. Rappresenta la spinta necessaria a imprimere un’accelerazione di 1 m/s² a una massa di 1 kg.

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