Un viaggio a vela nello spazio profondo

Fig. 1

Disegno di una vela solare

Ti piacerebbe fare un viaggio a vela? Deve essere un’esperienza entusiasmante riuscire a muoversi grazie alla forza della natura, senza l’uso di motori, solo perché il vento gonfia le vele dell’imbarcazione.

In realtà intendo parlare di un’altra vela, una vela solare che si muove nel vuoto, che non si gonfia per lo spostamento di una massa d’aria, ma che è sospinta da un “vento diverso” creato dalla pressione di radiazione.

Cosa sono queste vele solari e che cos’è la pressione di radiazione?

Le vele solari sono una forma di propulsione spaziale che sfrutta la pressione di radiazione, ovvero la pressione che viene esercitata su un corpo quando esso è esposto ad una radiazione elettromagnetica. 

Devi sapere che le onde elettromagnetiche, oltre a trasportare energia U, trasportano anche quantità di moto p.

Poiché i fotoni componenti la radiazione elettromagnetica sono privi di massa, per calcolare il modulo della quantità di moto p si usa la relazione: 

in cui U  rappresenta l’energia trasportata dall’onda.

Distinguiamo ora  due diverse situazioni:

• l’onda elettromagnetica incidente è assorbita da una superficie;
• l’onda elettromagnetica incidente è riflessa dalla superficie.

Caso 1    ONDA ASSORBITA

La pressione esercitata dall’onda che colpisce e viene assorbita da una superficie è:

in cui dobbiamo ricordare che l’energia U si può ricavare dal valore della densità di energia  e dal volume V 

La pressione ricavata prende il nome di pressione di radiazione:

Caso 2     ONDA RIFLESSA

Se la radiazione viene totalmente riflessa, la pressione di radiazione viene raddoppiata, poiché la variazione della quantità di moto è doppia rispetto al caso precedente:

In questa situazione, con una superficie riflettente, la pressione di radiazione è

Parliamo della nostra vela

La radiazione elettromagnetica del Sole che investe la nostra atmosfera ha una intensità di 1361 W/m², valore della cosiddetta costante solare; la pressione di radiazione assorbita è, quindi, di circa 4,5 μPa e se la superficie è riflettente la pressione di radiazione è il doppio 9,1 μPa. 

Un breve richiamo teorico, la costante solare è  la radiazione solare, o flusso di energia, che si misura alla sommità dell’atmosfera terrestre per unità di superficie e nell’unità di tempo.

Il Sole è attualmente in una lunga fase di stabilità durante la quale la stella produce energia attraverso il processo di fusione nucleare dell’idrogeno in elio. Così facendo la stella si mantiene in uno stato di equilibrio: non si espande a causa della pressione di radiazione delle reazioni termonucleari, né si contrae a causa della forza di gravità che la farebbe collassare.

Come appena calcolato la pressione di radiazione che investe il nostro pianeta ha un valore di pochi micropascal e tale valore decresce col quadrato della distanza dalla sorgente di radiazione elettromagnetica; ma attenzione! Anche se il valore della spinta è piccolo, l’azione proseguirà finché la sorgente luminosa emetterà radiazione elettromagnetica.

Proviamo a rispondere alla seguente domanda

Una navicella spaziale potrebbe essere sospinta nel Sistema Solare dalla pressione di radiazione esercitata su una vela leggera e perfettamente riflettente?

Indichiamo con m = massa navicella + vela, e con A superficie vela.

La strategia di soluzione prevede di calcolare il rapporto m/A per cui la forza di attrazione gravitazionale Sole-Terra eguaglia la forza esercitata dalla radiazione solare.

I dati a disposizione sono i seguenti:

massa solare

potenza Sole

costante di gravitazione universale

Le leggi da usare:

Che significato ha questo rapporto?

Che per spingere una massa di 1,6 grammi occorre un metro quadrato di vela!

Il calcolo dimostra che è necessario disporre di vele enormi e molto leggere, a cui affidare carichi ridotti o comunque proporzionati all’estensione della vela.

Inoltre per sfruttare questa “propulsione green” occorre portare la vela a una quota di circa 700-800 km, dove la resistenza residua dell’atmosfera diventa inferiore alla pressione di radiazione solare. 

Un altro problema da affrontare è il dispiegamento della vela nello spazio, in condizioni di microgravità o di assenza di gravità. 

É bene chiarire ancora una volta che l’effetto “vela” è dovuto ai fotoni emessi dal Sole, soprattutto luce visibile, e non al vento solare che è costituito invece da particelle cariche, protoni, elettroni, che esercitano sulla vela una pressione mille volte inferiore.

Quali sono i principali utilizzi di questa tecnologia?

A cosa possono servire queste vele?

Una delle prime applicazioni pratiche dell’effetto vela è stata l’utilizzo della pressione di radiazione solare per correggere la traiettoria di alcune sonde interplanetarie, allo scopo di risparmiare carburante che altrimenti sarebbe stato sprecato solo per le correzioni di assetto e per le modifiche dell’orbita. 

E nel futuro?

I sogni possono diventare realtà: viaggiare a vela nello spazio, cavalcando la luce del Sole, oppure utilizzando altre fonti luminose come dei potenti laser. 

Le vele fotoniche saranno in grado di offrire all’uomo nuove opportunità di esplorazione dell’universo.

Hanno provato a far viaggiare nello spazio queste vele?

Un primo significativo lancio è avvenuto nel maggio 2010; l’agenzia spaziale giapponese JAXA ha lanciato la sonda IKAROS che ha impiegato quasi venti giorni per dispiegare la sua vela di circa 200 m², un vero gioiello di tecnologia. 

Basti pensare che la vela era costituita da una pellicola sottilissima, meno di un centesimo di millimetro di spessore, su cui erano inserite la strumentazione necessaria alla guida e le celle solari per l’alimentazione. Alcuni strumenti scientifici e due minuscole camere fotografiche, eiettabili a comando, trovavano posto in un’apertura al centro della vela.

Il 9 luglio 2010 IKAROS iniziava, così, a veleggiare alla volta di Venere e, nel dicembre dello stesso anno, passava a soli 80000 km di distanza dal pianeta. 

Il lancio si concluse con successo, dimostrando che la propulsione solare rende fattibile un viaggio interplanetario.

Fig. 2

Modello della vela interplanetaria Giapponese, IKAROS 2010

Altre missioni, come NanoSail-D2 della NASA, LightSail-1 e LightSail-2 del 2019 organizzate dalla Planetary Society, hanno evidenziato le incredibili potenzialità di questa tecnologia.

Nonostante la spinta della pressione di radiazione sia piccola, c’è il vantaggio che è continua, per cui la navicella si muove di moto accelerato, almeno sino a quando è in prossimità di una stella, che nel caso del nostro Sistema Solare vuol dire entro l’orbita di Giove.

Si possono raggiungere velocità di crociera maggiori di quelle caratteristiche delle sonde a propulsione chimica o elettrica, accorciando i tempi per l’esplorazione della periferia del nostro Sistema Solare. 

Una vela solare può raggiungere la velocità di 150-200 mila km/h, circa ⅕ della velocità della luce e arrivare a Plutone in meno di cinque anni!

La sonda tradizionale New Horizons, lanciata nel 2006, ha sorvolato Plutone a luglio del 2015, viaggiando alla velocità di 54 000 km/h, e di anni ne ha impiegati nove. 

Secondo gli scienziati, questo tipo di tecnologia potrà essere applicata nella messa in orbita di piccoli satelliti delle dimensioni di scatole da scarpe, i CubeSats, molto utilizzati per la loro maneggevolezza e le dimensioni ridotte. 

La ricerca sulle “solar sails” prosegue e consentirà all’uomo di conoscere sempre di più dell’universo in cui vive.

Per un ulteriore approfondimento ti consiglio la visione del seguente video “How Solar Sails Are Remaking Space Exploration”:

• https://youtu.be/Ndx_6J4uo2M

E se vuoi ripassare il concetto di pressione di radiazione ecco il video che fa per te!

• https://fisicafast.it/lezioni/quantita-di-moto-e-pressione-di-radiazione/