Quando le sonde artificiali raggiungono finalmente altre stelle, non saranno alimentati da razzi. Anziché, potrebbero essere a bordo di una vela sottilissima che viene fatta esplodere da un gigantesco raggio laser. Harry Atwater, Howard Hughes Professore di Fisica Applicata e Scienza dei Materiali, è un capo progetto del programma Breakthrough Starshot, che cerca di rendere queste sonde una realtà. In un nuovo articolo pubblicato il 7 maggio in Materiali della natura , Atwater esplora alcune delle principali sfide che il progetto dovrà affrontare nel tentativo di rendere l'umanità una specie interstellare. Di recente ci siamo seduti con lui per parlare del programma.

Che cos'è esattamente il programma Breakthrough Starshot?

Si tratta di un progetto multidisciplinare da 100 milioni di dollari annunciato nel 2016, mirato a progettare un veicolo spaziale che può essere lanciato sui pianeti che circondano altre stelle e raggiungerli entro la nostra vita. L'idea è di sviluppare veicoli spaziali in grado di viaggiare a quasi il 20% della velocità della luce.

Perché non è possibile farlo con i razzi convenzionali?

Il problema con la tradizionale propulsione a razzo è che la velocità finale del razzo è limitata dalla velocità finale del carburante espulso dal razzo. Per i propellenti chimici, il limite superiore della velocità finale è troppo basso. La navicella spaziale più veloce mai lanciata impiegherebbe decine di migliaia di anni per raggiungere la stella più vicina, Alpha Centauri C. Questo è chiaramente poco pratico per qualsiasi missione interstellare.

Per superarlo, stiamo progettando di utilizzare la luce stessa come combustibile. In altre parole, stiamo sfruttando il principio di conservazione della quantità di moto tra luce e materiali. Se ho un oggetto riflettente e gli faccio luce, i fotoni rinculo o riflettenti impartiscono quantità di moto all'oggetto. Se l'oggetto è abbastanza leggero, quel momento può agire come una forza propulsiva, e quindi la velocità finale di quella sonda è limitata solo dalla velocità della luce stessa.

Qual è il tuo ruolo nel progetto?

Sono un consulente del programma Breakthrough Starshot. Il programma ha tre grandi sfide tecniche:la prima è costruire il cosiddetto motore a fotoni, il laser capace di spingere la vela; il secondo è progettare la vela stessa; e il terzo è progettare il carico utile, che sarà un minuscolo veicolo spaziale in grado di acquisire immagini e dati spettrali e poi inviarli a terra. Il mio ruolo è aiutare il programma a definire percorsi per realizzare una vela di luce praticabile che sia compatibile con gli altri obiettivi dell'intero programma. Non sarà facile:dobbiamo realizzare un oggetto su larga scala ultraleggero che sia saldamente e dinamicamente stabile sotto la propulsione.

Quali altre sfide ci sono?

Le sfide che affrontiamo nel nostro ultimo documento stanno sviluppando i requisiti di progettazione e materiali per questa serie davvero estrema di condizioni ingegneristiche. Abbiamo bisogno di qualcosa che abbia una massa non superiore a un grammo, ma che copre una superficie di circa 10 mq. Ciò significa che lo spessore medio sarà dell'ordine di decine o centinaia di nanometri; molto più sottile di un capello umano.

Questo sottilissimo materiale sarà soggetto a intense radiazioni laser durante la fase di propulsione, con un'intensità di megawatt per metro quadrato. Non è l'intensità più alta mai generata in un laboratorio, ma è un'intensità molto alta interagire con un ultrasottile, struttura a membrana simile a una ragnatela del tipo di cui stiamo parlando qui. Quindi il requisito più grande è che deve essere ultra-riflettente in modo da poter conferire slancio e spingere la vela di luce.

Ci sono materiali, o famiglie di materiali, che sembrano promettenti per questo?

Sì. I migliori materiali sono quelli dielettrici, o isolante, piuttosto che materiali metallici, che trasmettono cariche elettriche. Un buon esempio di un dielettrico che tutti conoscono è il vetro, che è altamente non assorbente. Sfortunatamente, il vetro è un po' troppo basso nella sua riflettività per essere un candidato efficiente per il materiale delle vele di luce, ma comunque indica la strada. I migliori materiali a cui pensare sono quelli che hanno una maggiore riflettività ma allo stesso modo bassi coefficienti di assorbimento.

In che modo questo lavoro si adatta ai tuoi obiettivi di ricerca più ampi?

Il mio team di ricerca è molto interessato a come la luce interagisce con i materiali su scala nanometrica, o materiali che sono scolpiti o modellati alla scala della lunghezza d'onda stessa. Una delle cose che affascina è che i materiali nanostrutturati possono essere in grado di generare dei compromessi davvero ottimali tra massa e riflettività, e aiutano anche a dare stabilità alla vela. Abbiamo bisogno che la vela sia discretamente stabile, il che significa che non cade dal raggio laser, per così dire.