Il futuro delle missioni spaziali, le sonde interstellari

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Una sonda interstellare è una sonda spaziale che ha lasciato o dovrebbe lasciare il sistema solare ed entrare nello spazio interstellare, che in genere viene definito come la regione oltre l’eliopausa. Esistono cinque sonde interstellari: Voyager 1 , Voyager 2 , Pioneer 10 , Pioneer 11 e New Horizons . A partire dal 2015, Voyager 1 è l’unica sonda ad aver effettivamente raggiunto lo spazio interstellare. Le altre quattro sono su traiettorie interstellari. Lo shock di terminazione  è il punto dell’eliosfera in cui il vento solare rallenta a velocità subsonica. Anche se il limite di terminazione si verifica intorno a 80-100 UA, l’estensione massima della regione in cui il campo gravitazionale del Sole è dominante (la sfera di Hill ) si pensa che si trovi a circa 230.000 unità astronomiche (3,6 anni luce). Questo punto è vicino al sistema Alpha Centauri, situato a 4,6 anni luce di distanza. Sebbene le sonde siano sotto l’influenza gravitazionale del Sole per molto tempo, le loro velocità superano di gran lunga la velocità di fuga del Sole. Lo spazio interstellare è definito come quella zona che si trova oltre una regione magnetica che si estende per circa 122 UA dal sole, come rilevata dalla Voyager 1, e la regione equivalente di influenza circostante alle altre stelle. La sonda è entrata nello spazio interstellare nel 2013.
 

Veicoli spaziali che hanno lasciato o stanno per lasciare il Sistema Solare (esclusa la New Horizon)

Interstellar Probe, studiata nel 1999 è anche il nome di una sonda spaziale NASA destinata a viaggiare fuori dal limite 200 UA in 15 anni.. Nell’aprile 2016, gli scienziati hanno annunciato Breakthrough Starshot , un programma Breakthrough Initiatives , per sviluppare una flotta di piccoli velivoli leggeri ddlla dimensione di pochi centimetri, denominati StarChip,  in grado di viaggiare verso Alpha Centauri alla velocità del 20% di quella della luce, impiegando 20 e 30 anni per raggiungere il sistema stellare e circa 4 anni per notificare alla Terra il suo arrivo.

Panoramica

Lo scienziato planetario G. Laughlin ha osservato che con la tecnologia attuale una sonda inviata ad Alpha Centauri impiegherebbe 40.000 anni per arrivare, ma si speranza che si sviluppi una nuova tecnologia per rendere il viaggio entro una vita umana. In questo periodo le stelle si muovono notevolmente. Ad esempio, in 40.000 anni Ross 248 sarà più vicino alla Terra di Alpha Centauri.

Le stelle stanno letteralmente spostando gli obiettivi sulle scale temporali accessibili alla nostra tecnologia

Una tecnologia che è stata proposta per raggiungere velocità più elevate è una E-sail. Sfruttando il vento solare, potrebbe essere possibile raggiungere 20-30 UA all’anno senza nemmeno usare il propellente.

 

Propulsione di sonde interstellari a vento solare ionizzato

La vela a energia solare, o la vela elettrica e è un’invenzione di propulsione fatta nel 2006 al Centro Spaziale di Kumpula da Pekka Janhunen.  La vela elettrica a grandezza naturale è composta da un numero (50-100) di cavi conduttori lunghi (ad es. 20 km) e sottili (ad esempio 25 micron). L’astronave contiene un cannone a elettroni ad energia solare (potenza tipica di poche centinaia di watt) che viene utilizzato per mantenere il veicolo spaziale e i cavi in ​​un potenziale positivo elevato (tipicamente 20 kV). Il campo elettrico dei fili si estende per alcune decine di metri nel plasma del vento solare circostante. Pertanto gli ioni del vento solare “vedono” i fili come piuttosto spessi, circa 100 m di ostacoli di larghezza. Esiste un concetto tecnico per dispiegare i fili in un modo relativamente semplice e guidare il veicolo spaziale elettricamente.

Esail

La vela elettrica è un nuovo concetto di propulsione spaziale che utilizza il momento del vento solare  per produrre spinta . La vela elettrica è in qualche modo simile alla più nota vela a pressione di radiazione solare che viene spesso chiamata semplicemente la vela solare .

La pressione dinamica del vento solare varia ma è in media di circa 2 nPa alla distanza della Terra dal Sole. Questo è circa 5000 volte più debole della pressione della radiazione solare. A causa della grande area effettiva e del peso molto basso per unità di lunghezza di un filo metallico sottile, la vela elettrica è comunque efficiente. Un filo della vela di 20 km di lunghezza pesa solo poche centinaia di grammi e si inserisce in una piccola bobina, ma quando viene aperto nello spazio e collegato al cannone elettronico della sonda, può produrre diversi chilometri quadrati di vento solare efficace che è in grado di estrarre circa 10 millinewton forza dal vento solare. Ad esempio, equipaggiando un veicolo spaziale da 1000 kg con 100 di tali fili, si può produrre un’accelerazione di circa 1 mm / s ^ 2. Dopo aver agito per un anno, questa accelerazione produrrebbe una significativa velocità finale di 30 km / s. Carichi più piccoli potrebbero essere spostati abbastanza velocemente nello spazio usando la vela elettrica e un flyby con Plutone potrebbe verificarsi in meno di cinque anni, per esempio. In alternativa, si potrebbe scegliere di spostare carichi utili di medie dimensioni a una velocità ordinaria di 5-10 km / s, ma con costi di propulsione ridotti poiché la massa che deve essere lanciata dalla Terra è piccola nella vela elettrica.

La principale limitazione della vela elettrica è che poiché utilizza il vento solare, non può produrre molta spinta all’interno di una magnetosfera dove non c’è vento solare. Sebbene la direzione della spinta sia sostanzialmente lontana dal Sole, la direzione può essere variata entro certi limiti inclinando la vela. Quindi è anche possibile virare verso il sole. La vela elettrica ha vinto il premio finlandese 2010 per l’innovazione della qualità tra le potenziali innovazioni. Il premio è stato consegnato dal Presidente della Finlandia Tarja Halonen l’11 novembre 2010.

Applicazioni

  • Missioni veloci (> 50 km / se 10 UA / anno) dal sistema solare ed eliosfera con carico utile ridotto o modesto
  • Come freno per una piccola sonda interstellare che è stata accelerata ad alta velocità con altri mezzi come laser light sail 
  • Missioni a spirale verso l’interno per studiare il Sole a una distanza più ravvicinata
  • Missioni a due vie verso oggetti del Sistema Solare interno come asteroidi
  • Off- Lagrange sonda di monitoraggio del vento solare per la predizione del tempo atmosferico con un tempo di preavviso più lungo di 1 ora
Missioni veloci sul pianeta Urano

Janhunen et al. hanno proposto una missione su Urano alimentato da una vela elettrica. La missione potrebbe raggiungere la sua destinazione all’incirca nello stesso tempo in cui la precedente sonda spaziale Galileo ha raggiunto Giove. La Galileo impiegò 6 anni per raggiungere Giove al costo di $ 1,6 miliardi, mentre Cassini-Huygens impiegò 7 anni per arrivare a Saturno ea parità di costo. Si prevede che la vela consumerà 540 watt, producendo circa 0,5 newton accelerando l’imbarcazione di circa 1 mm / s 2 . Il velivolo raggiungerà una velocità di circa 20 km / s nel momento in cui raggiungerà Urano, 6 anni dopo il lancio. Il rovescio della medaglia è che la vela elettrica non può essere utilizzata come freno, quindi l’imbarcazione arriva a una velocità di 20 km / s, limitando le missioni ai sorvoli o le missioni di ingresso atmosferico . La frenatura richiederebbe un razzo chimico convenzionale. L’imbarcazione proposta ha tre parti: il modulo E-sail con pannelli solari e bobine per contenere i cavi; il corpo principale, inclusi i propulsori chimici per regolare la traiettoria durante il percorso e a destinazione e le apparecchiature di comunicazione; e un modulo di ricerca per entrare nell’atmosfera di Urano e fare misurazioni per l’invio a Terra attraverso il corpo principale.

Il concetto di Starshot

Il concetto di Starshot prevede il lancio di una “astronave madre” che trasporta un migliaio di minuscoli veicoli spaziali (sulla scala dei centimetri) in un’orbita terrestre di alta quota per poi schierarli. Un allineamento graduale di laser a terra avrebbe quindi focalizzato un fascio di luce sulle vele dei velivoli per accelerarli uno alla volta alla velocità desiderata entro 10 minuti, con un’accelerazione media dell’ordine di 100 km / s 2 (10.000  ɡ ) e un’energia di illuminazione dell’ordine di 1 TJ consegnata a ciascuna vela. Si suggerisce un modello di vela preliminare con una superficie di 4 m × 4 m. Una presentazione di ottobre 2017 del modello del sistema Starshot esamina vele circolari e scopre che il costo del capitale del beam director è minimizzato avendo un diametro della vela di 5 metri.

Un concetto di vela solare

Il 24 agosto 2016, l’ESO ha ospitato una conferenza stampa per discutere l’annuncio del pianeta extrasolare Proxima b nella sua sede centrale in Germania. Breakthrough Starshot, ha annunciato il 12 aprile 2016,  un programma di  $ 100 milioni per sviluppare una missione  in grado di rendere il viaggio verso Alpha Centauri al 20% della velocità della luce (60.000 km / s oppure 215 milioni km / h) impiegando circa 20 anni per arrivarci, e circa 4 anni per comunicare alla Terra il suo successo. Il viaggio interstellare può includere un sorvolo di Proxima Centauri b, un pianeta extrasolare di dimensioni terrestri che si trova nella zona abitabile della stella ospite nel sistema Alpha Centauri.  Da una distanza di 1 Unità Astronomica (150 milioni di chilometri o 93 milioni di miglia), le quattro telecamere su ciascuna navicella spaziale potrebbero potenzialmente catturare un’immagine di qualità sufficientemente elevata da risolvere le caratteristiche della superficie. La flotta di veicoli spaziali avrebbe 1000 imbarcazioni e ogni imbarcazione, chiamata StarChip che sarebbe una nave di dimensioni molto piccole, del peso di diversi grammi spinti da diversi laser a 100 gigawatt. Ciascuna navicella minuscola trasmette i dati alla Terra utilizzando un sistema di comunicazione laser a bordo. Pete Worden è il capo di questo progetto. I principi concettuali per abilitare questo progetto di viaggio interstellare sono stati descritti in “Una tabella di marcia verso il volo interstellare”, di Philip Lubin dell’UC Santa Barbara. Il presidente METI Douglas Vakoch riassume il significato del progetto, dicendo che “inviando centinaia o migliaia di sonde spaziali dalle dimensioni di francobolli, si possono raggirare i rischi del volo spaziale.. Quando verrà lanciata, “Starshot farà la storia. ” A luglio 2017, gli scienziati hanno annunciato che i precursori di StarChip , denominati Sprites , sono stati testati con successo.

 

Riferimenti

  1. Chebotarev, GA (1964), “Sfere gravitazionali dei pianeti maggiori, luna e sole”, Astronomia sovietica , 7 (5): 618-622, Bibcode : 1964SvA ….. 7..618C
  2. NASA Voyager 1 incontra la nuova regione nello spazio profondo
  3. “Sonda interstellare” . Interstellar.jpl.nasa.gov. 2002-02-05 . Retrieved 2010-10-22 .
  4. Gilster, Paul (12 aprile 2016). “Breakthrough Starshot: missione per Alpha Centauri” . Sogni Centauri . Estratto il 14 aprile 2016.
  5. Overbye, Dennis (12 aprile 2016). “Un progetto visionario mira ad Alpha Centauri, una stella 4.37 anni luce” . New York Times. Estratto il 12 aprile 2016 .
  6. Stone, Maddie (12 aprile 2016). “Stephen Hawking e un miliardario russo vogliono costruire una nave stellare interstellare” . Gizmodo . Estratto il 12 aprile 2016 .
  7. Staff (12 aprile 2016). “Breakthrough Starshot” . Iniziative innovative . Estratto il 12 aprile 2016 .
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  9. Matthews, RAJ (primavera 1994). “L’avvicinamento ravvicinato delle stelle nel vicinato solare”. Rivista trimestrale della Royal Astronomical Society . 35 (1): 1. Bibcode : 1994QJRAS..35 …. 1M .
  10. “Esplorazione dello spazio solare-vento a vela elettrica” , Space.com
  11. AIAA Journal of Propulsion and Power, 20, 4, 763-764, 2004, Janhunen, P e A. Sandroos, Studio di simulazione del vento solare spingere su un filo caricato: propulsione a vela elettrica a energia solare , Ann. Geophys., 25, 755-767, 2007

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