Nell'ultimo decennio, migliaia di pianeti sono stati scoperti oltre il nostro sistema solare. Ciò ha avuto l'effetto di rinnovare l'interesse per l'esplorazione dello spazio, che include la possibilità di inviare veicoli spaziali per esplorare esopianeti. Date le sfide in gioco, una serie di concetti avanzati sono attualmente allo studio, come il concetto consacrato di una vela leggera (come esemplificato da Breakthrough Starshot e proposte simili).

Però, negli anni più recenti, gli scienziati hanno proposto un concetto potenzialmente più efficace noto come la vela elettrica composta da una rete metallica che genera cariche elettriche per deviare le particelle del vento solare, generando così slancio. In un recente studio, due scienziati di Harvard hanno confrontato e messo a confronto questi metodi per determinare quale sarebbe stato più vantaggioso per i diversi tipi di missioni.

Lo studio, che di recente è apparso online ed è in fase di revisione per la pubblicazione da Acta Astronautica , è stato condotto da Manasavi Lingam e Abraham Loeb, un assistente professore presso il Florida Institute of Technology (FIT) e il Frank B. Baird Jr. Professor of Science presso l'Università di Harvard e direttore dell'Institute for Theory and Computation (ITC), rispettivamente.

Il concetto di vela leggera è antico, coinvolgendo un veicolo spaziale dotato di un grande foglio di materiale riflettente che utilizza la pressione di radiazione di una stella (vento stellare) per accelerare nel tempo. Uno dei principali vantaggi di questa tecnologia è che non richiede un veicolo spaziale per trasportare la propria scorta di carburante, che in genere rappresenta la maggior parte della massa di un veicolo spaziale.

Questo è particolarmente importante quando si tratta di viaggi interstellari, poiché la quantità di massa di reazione necessaria per raggiungere anche una frazione della velocità della luce (c) sarebbe tremenda. E a differenza di concetti come la propulsione ad antimateria o concetti che si basano su fisica ancora non testata (o addirittura ipotetica), le vele solari/leggere utilizzano la tecnologia e la fisica che sono completamente provate a questo punto.

Un altro vantaggio è il fatto che una vela leggera può essere accelerata con mezzi diversi dalla radiazione solare. Come ha spiegato Lingam a Universe Today via e-mail:"Le vele leggere possono essere "spinte" da array laser o radiazioni solari/stellari. In entrambi i casi, il vantaggio principale delle vele leggere è che non è necessario portare il carburante a bordo, a differenza dei razzi chimici. Ciò riduce notevolmente la massa del veicolo spaziale poiché la maggior parte della massa nei razzi chimici è dovuta al carburante. Lo stesso vantaggio vale anche per le vele elettriche."

Però, negli ultimi anni, sono state sviluppate variazioni su questo concetto, come la vela magnetica ("magsails") proposta da Robert Zubrin e Dana Andrews nel 1988, e la vela elettrica proposta da Pekka Janhunen nel 2006. Nel caso della prima, un anello superconduttore genererebbe un campo elettrico mentre quest'ultimo genererebbe un campo magnetico tramite una vela di piccoli fili, entrambi i quali respingerebbero il vento solare.

Questi concetti presentano alcune notevoli differenze rispetto alle vele solari o leggere convenzionali. Come ha spiegato Lingam:"Le vele elettriche si basano sul trasferimento di quantità di moto dalle particelle cariche del vento solare/stellare (protoni nel nostro esempio) deviandole tramite campi elettrici, mentre le vele leggere si basano sul trasferimento di quantità di moto dai fotoni emessi dalla stella. Così, il vento della stella spinge le vele elettriche, mentre la radiazione elettromagnetica emessa dalla stella guida le vele leggere."

Abbastanza interessante, le vele magnetiche sono state considerate da alcuni ricercatori come un possibile mezzo per rallentare una vela leggera mentre si avvicina alla sua destinazione. Uno di questi ricercatori è il professor Claudius Gros dell'Istituto di fisica teorica, Università Goethe, Francoforte, e Andreas Hein e Kelvin F. Long, i principali ricercatori del Progetto Dragonfly, un concetto simile a Breakthrough Starshot.

Tutti e tre i concetti sono in grado di convertire la radiazione emessa dalle stelle in quantità di moto, ma arrivano anche con la loro parte di svantaggi. Per i principianti, le vele elettriche dipendono molto dalle proprietà delle stelle che le ospitano. Vele leggere, d'altra parte, sono resi in gran parte inefficaci quando si tratta di stelle di tipo M (nane rosse) perché la pressione di radiazione non è abbastanza alta da generare una velocità sufficiente per sfuggire a un sistema stellare.

Questo è un problema piuttosto limitante, come a bassa massa, le nane ultrafredde di tipo M rappresentano la stragrande maggioranza delle stelle nell'universo, rappresentando il 75% delle stelle della Via Lattea. Le nane rosse sono anche incredibilmente longeve rispetto ad altre classi di stelle e possono rimanere nella loro sequenza principale fino a 10 trilioni di anni. Perciò, un sistema di propulsione in grado di utilizzare sistemi di nane rosse sarebbe preferibile su tempi più lunghi.

Per queste considerazioni, Lingam e Loeb hanno cercato di determinare quale metodo di viaggio interstellare sarebbe preferibile (vele leggere o vele elettroniche) in relazione alle diverse classi di stelle:tipo F (bianco), tipo G (giallo), tipo K (arancione), e stelle di tipo M. Dopo aver preso in considerazione le proprietà di radiazione di ciascuna classe, hanno preso in considerazione la probabile massa del veicolo spaziale, in base ai parametri stabiliti da Breakthrough Starshot.

Quello che hanno scoperto è che un veicolo spaziale abbinato a una vela elettrica rappresenta un mezzo di propulsione migliore in prossimità della maggior parte dei tipi di stelle, e non solo per veicoli spaziali in scala di grammi. Però, I calcoli di Lingam e Loeb hanno anche scoperto che ci vorrebbe molto più tempo perché una navicella spaziale a vela elettrica raggiunga i tipi di velocità che renderebbero pratico il viaggio interstellare.

"Anziché, se si considerano le vele leggere alimentate da array laser (come Breakthrough Starshot), è quindi possibile raggiungere direttamente velocità relativistiche (es. 10% della velocità della luce) tramite vele leggere; in contrasto, le vele elettriche alimentate da venti stellari raggiungono velocità di appena lo 0,1 percento della velocità della luce, " disse Lingam.

Mentre una vela elettrica potrebbe raggiungere 0,1 c alla fine raggiungendo ripetutamente la stretta vicinanza con le stelle, hanno stimato che ci sarebbero voluti 10, 000 incontri nel corso di 1 milione di anni. Lingam dice, "Le vele elettriche rappresentano un mezzo praticabile per intraprendere viaggi interstellari. Tuttavia, qualsiasi specie tecnologica che volesse utilizzare questo metodo dovrebbe essere longeva, poiché tutto questo processo per raggiungere velocità relativistiche richiederebbe circa 1 milione di anni. Se esistono specie così longeve, le vele elettriche rappresentano un mezzo abbastanza conveniente ed efficiente dal punto di vista energetico per esplorare la Via Lattea su lunghe scale temporali (milioni di anni)."

Mentre 1 milione di anni è poco più di un battito di ciglia in termini cosmici, è incredibilmente lungo in termini di durata della vita delle civiltà, almeno per i nostri standard. Come specie, l'umanità esiste da circa 200, 000 anni e registra la sua storia solo da circa 6000. Più precisamente, siamo stati una civiltà spaziale solo negli ultimi 60 anni.

Quindi, una vela in grado di essere accelerata dai laser rimane il mezzo più pratico per esplorare gli esopianeti nelle nostre vite. Un'altra implicazione per questo studio è che potrebbe informare la ricerca di intelligenza extraterrestre (SETI). Quando si cercano nell'universo segni di attività tecnologica (tecnofirme), gli scienziati sono costretti a cercare segni che riconosceranno.

Dati i vantaggi di una vela elettrica, è possibile che una civiltà extraterrestre possa favorire questa tecnologia rispetto ad altre simili. Come ha spiegato il prof. Loeb a Universe Today via e-mail:"I nostri calcoli implicano che è probabile che le civiltà avanzate favoriscano l'uso di vele elettriche rispetto alle vele leggere per la propulsione che si basa sull'emissione naturale delle stelle sotto forma di vento o radiazione. Tuttavia , se una civiltà tecnologica desidera raggiungere velocità o lanciare grandi carichi che non possono essere azionati dalla potenza prodotta dalla stella che li ospita, allora è probabile che favorisca le vele leggere, che sono spinti dal loro raggio di luce prodotto artificialmente come un potente laser. La situazione è simile alla differenza tra barche a vela, che sfruttano il vento fornito gratuitamente da madre natura, rispetto a barche più grandi o più veloci che sono azionate da mezzi artificiali come un motore."

Sfortunatamente, come ha aggiunto Loeb, le vele elettriche non sono facilmente individuabili a grandi distanze perché sono costituite da reti metalliche elettrificate e non emettono tecnofirme evidenti. "Perciò, "conclude, "SETI dovrebbe concentrarsi principalmente sulla ricerca di vele leggere, che sono visibili a causa della dispersione dei loro fasci luminosi oltre i confini della vela vicino ai loro siti di lancio o perché riflettono la luce solare quando passano vicino al sole, proprio come asteroidi o comete di dimensioni simili".

Però, Lingam e Loeb sottolineano anche che le vele elettriche potrebbero essere un'opzione interessante per una civiltà extraterrestre proprio per lo stesso motivo. Oltre ad essere efficiente dal punto di vista energetico, le vele elettriche non sono soggette a spillover e possono quindi viaggiare da un sistema stellare all'altro senza essere notate. Una possibile soluzione al paradosso di Fermi? Forse!

In ogni caso, questo studio indica che i nostri attuali piani per esplorare i sistemi stellari vicini dovrebbero concentrarsi su concetti che enfatizzano la velocità rispetto alla longevità. Questo non significa che dispiegare vele elettriche o magnetiche che potrebbero continuare ad esplorare l'universo per eoni sia una cattiva idea, ma una missione che può arrivare in un altro sistema stellare nelle nostre vite sembra l'opzione preferibile per ora.