Il volo a vela (fotonica) potrebbe essere la strada per i futuri viaggi interstellari?

Il volo a vela (fotonica) potrebbe essere la strada per i viaggi interstellari? È quello che sostengono i ricercatori autori del paper pubblicato recentemente su Nature dal titolo "Pentagonal photonic crystal mirrors: scalable lightsails with enhanced acceleration via neural topology optimization".

Vele sottilissime per viaggiare nello spazio spinti dal laser

La ricerca è stata portata aventi nell'ambito dell'iniziativa Breakthrough Starshot Initiative, che mira a inviare micro-sonde delle dimensioni di un chip verso Alpha Centauri entro 20 anni, utilizzando vele leggere spinte da laser.

Queste vele, concepite per essere spinte dalla pressione della luce, potrebbero permettere a piccole sonde spaziali di raggiungere velocità straordinarie, avvicinando l'umanità al sogno di esplorare sistemi stellari lontani.

La tecnologia dovrebbe permettere di accelerare le sonde fino a un quinto della velocità della luce, per raggiungere Alpha Centauri - che dista circa 4 anni luce dalla Terra - in meno di 20 anni. Per avere un'idea della differenza, coi metodi di propulsione attualmente disponibili il viaggio durerebbe 10.000 anni.

Le vele fotoniche sfruttano la pressione esercitata dai fotoni, le particelle elementari con cui è possibile descrivere la luce, su una superficie riflettente. Sebbene ogni fotone trasferisca un impulso estremamente piccolo, l'effetto cumulativo di un intenso fascio di luce può generare una spinta significativa su una vela ultraleggera.
Questa tecnologia richiede materiali innovativi per le vele, caratterizzati da dimensioni dell'ordine dei metri quadrati, spessori nanometrici e miliardi di nanofori per aumentare la riflettività e ridurre la massa.

C'è già la prima membrana, anche se piccola

Un team di ricercatori dell'Università di Brown e della Delft University of Technology ha sviluppato una membrana ultraleggera e altamente riflettente, progettata per fungere da vela fotonica. Non ci si è fermati alla teoria, ma i ricercatori sono stati in grado di portare a termine la fabbricazione di membrana reale, con una significativa riduzione dei costi rispetto ai metodi tradizionali.

Questa membrana è costruita in nitruro di silicio (SiN) e misura 60 x 60 millimetri per lato, con uno spessore di soli 200 nanometri. La sua superficie è caratterizzata da miliardi di nanofori disposti in un reticolo pentagonale, una configurazione ottimizzata tramite algoritmi di apprendimento automatico per massimizzare la riflettività e minimizzare la massa. Questa struttura permette una maggiore accelerazione sotto l'azione di un fascio laser, migliorando l'efficienza della vela. La massima riflettività è un requisito anche per minimizzare l'assorbimento delle radiazioni, con conseguente aumento della temperatura e rischio di creazione di microfratture nel materiale.

Inoltre il materiale riflettente deve essere a banda larga, in quanto durante l'accelerazione la luce laser subirà uno spostamento di lunghezza d'onda a causa dell'effetto Doppler.

C'è però ancora molta strada da fare, visto che il progetto Starshot prevede vele di 10 metri quadrati per poter effettuare il viaggio, con dei laser da 10–100 GW/m2 a terra per poter fornire sufficiente pressione di radiazione con tempi di esposizione nell'ordine dei pochi minuti. I laser, per minimizzare l'assorbimento da parte dell'atmosfera, lavoreranno nella porzione di spettro del vicino infrarosso (NIR) con lunghezze d'onda nell'ordine di 1-2 μm. I ricercatori sono però fiduciosi sulla scalabilità del processo di produzione.

Le vele, raggiungendo velocità quasi relativistiche (nell'ordine di 0,2c), potrebbero portare un carico molto ridotto, nell'ordine del singolo grammo: la ricerca deve quindi lavorare anche per minimizzare al massimo le sonde e in quel peso dovranno rientrare sensori, sistemi di comunicazione e fotocamere.

Siamo ben lontani dalla possibilità di muovere intere navicelle con l'utilizzo di vele fotoniche, ma la ricerca è sicuramente molto interessante e getta una 'nuova luce' (laser) sul futuro dell'esplorazione spaziale.