E' sicuramente molto bello vedere razzi lanciare navicelle spaziali, con quelle grandi esplosioni controllate e con le lunghe strisce di condensa che si lasciano dietro, ma diciamocelo, quello che ci vuole qui è un bel motore a curvatura! O per chi non conosce Star Trek, un motore ad antimateria! E pensare che è pure tutto così semplice! Basta prendere un po' di antimateria e un po' di materia e metterli insieme. L'annichilimento che ne segue rilascia un'energia 1000 volte maggiore rispetto alla stessa massa di carburante in un reattore a fissione nucleare e circa 2 miliardi di volte l'energia dei razzi a base di idrocarburi.
Ad essere sinceri, qualche piccolo problema c'è: riuscire a creare ed intrappolare quantità sufficienti di antimateria è qualcosa che è ben aldilà delle nostre capacità tecnologie, e in realtà non conosciamo neanche così bene la fisica dietro l'annichilimento.
Mentre per quanto riguarda le capacità tecnologie, possiamo fare poco, per quanto riguarda la fisica, possiamo già iniziare però a fare qualche calcolo.
Scherzi a parte, questi temi fantascientifici nascondono in realtà molti enigmi e frontiere dell'attuale fisica e di tempo in tempo, qualche scienziato si mette a divertirsi un po' usando queste situazioni per fare calcoli e simulazioni di interesse molto più realistico.
Un'esempio è la pubblicazione che recentemente è stata rilasciata su arxiv.org da Ronan Keane della Western Reserve Academy e Wei-Ming Zhang della Kent State University, entrambi dell'Ohio. I due hanno tentato un nuovo approccio per risolvere il problema dietro questa tecnologia fantascientifica e sono arrivati a conclusioni molto interessanti.
Prima di tutto, affrontiamo le questioni aerospaziali di base: La velocità massima di un razzo dipende dalla sua velocità di scarico, dalla frazione di massa dedicata al combustibile e dalla configurazione dei stadi del razzo stesso. "Questi ultimi due fattori dipendono molto da piccoli dettagli ingegneristici e di costruzione, e quando si considera la propulsione spaziale per il futuro distante, sembra appropriato lasciare da parte lo studio di questi fattori così specifici" hanno spiegato Keane e Zhang.
Così i ricercatori hanno deciso di concentrarsi sulla velocità di scarico, o la velocità che hanno la particelle prodotte dall'annichilimento quando lasciano il motore ad antimateria. La spinta da queste annichilazioni avviene principalmente grazie all'uso di un campo magnetico che riflette via le particelle cariche create nell'annichilimento stesso. Così i due si sono concentrati sull'annichilimento di protoni e anti-protoni con la produzione di pioni carichi.
A questo punto hanno realizzato che un fattore importante in tutto questo è quanto sarebbe efficace un campo magnetico nel incanalare queste particelle fino all'uscita dall'ugello.
Infatti, la velocità di uscita di questi pioni dipende da due fattori: la loro velocità media iniziale di quando vengono creati e l'efficienza del design usato per l'ugello magnetico.
Nel passato, vari fisici hanno calcolato che i pioni dovrebbero viaggiare ad oltre 90% la velocità della luce ma che l'ugello sarebbe efficiente solo al 36%. Questo si traduce in una velocità di uscita massima di solo circa un terzo della velocità della luce, cioè appena appena una velocità relativistica e, diciamocelo, non proprio quello che si sta cercando qui. (Vogliamo viaggi interstellari all'ordini del giorno!)
Keane e Zhang hanno però annunciato alcune grosse novità a riguardo. Hanno infatti fatto alcuni nuovi calcoli grazie ad un software sviluppato dal CERN per simulare l'interazione tra le particelle, la materia ed i campi di vario tipo. Il CERN usa questo software, chiamato GEANT4 (Geometry and Tracking 4), per comprendere meglio come le particelle si comportano nel Large Hadron Collider, dove avvengono moltissime collisioni tra protoni ed antiprotoni. Quindi è perfetto per quello che vogliono studiare Keane e Zhang.
Immagine: 29,7 KBUno degli eventi simulati con GEANT4. Le linee dritte mostrano le particelle non cariche (per la maggior parte raggi gamma dal decadimenti dei pioni neutrali), mentre le tracce curve sono le particelle cariche. Credit: Ronan L. Keane/ Wei-Ming Zhang
La loro nuova indagine porta alcune buone notizie ed alcune cattive. Prima togliamo di mezzo quelle cattive: le nuove simulazioni indicano che i pioni prodotti in questo modo saranno significativamente più lenti di quanto si pensava precedentemente, viaggiando soltanto a 80% della velocità della luce. Le buone notizie invece sono che le simulazioni con il GEANT4 indicano che un ugello magnetico può essere molto più efficiente di quanto si pensava prima, raggiungendo anche l'85% dell'efficienza. Questo si traduce in una velocità di scarico media di circa 70% la velocità della luce! Già iniziamo a parlare di velocità che possono far drizzare le orecchie anche a Spook. "Riuscire a raggiungere vere velocità relativistiche torna ad essere una possibilità!" esultano Keane e Zhang.
Qualcuno di voi si chiederà magari cos'è questo termine "relativistico" accanto alla velocità? Per non complicare troppo le cose, diciamo che si tratta di velocità così alte che non si usa più la meccanica newtoniana ma le leggi della relatività einsteiniana.
Tornando però ai due ricercatori e la loro pubblicazione, nelle conclusioni spiegano anche come l'ugello per un razzo simile dovrebbe poter generare un campo magnetico con la potenza di circa 12 Tesla. "Un simile campo magnetico può essere prodotto anche con le tecnologie odierne, mentre precedenti design per gli ugelli anticipavano o richiedevano grandi progressi in questo campo." spiegato Keane e Zhang.
Rimane ovviamente il "piccolo problema" della raccolta di antimateria, il suo trasferimento e l'uso in un motore capace di subire simili forze. Il CERN produce un po' di antimateria per le proprie ricerche, ma riesce al massimo a generare una quantità così piccola che è contabile. Secondo una stima, ci vorrebbero almeno 1000 anni di collisioni per arrivare ad un singolo microgrammo di antimateria.
Riguardo a questo Keane e Zhang specificano però che non molto tempo fa, l'osservatorio PAMELA aveva scoperto un anello di anti-protoni intorno alla Terra! Quello che non dicono e che PAMELA ha trovato solo 28 anti-protoni in più di due anni, cioè molto meno di quanto riesce a creare il CERN giornalmente.
Nonostante tutto, la loro pubblicazione è molto intrigante, divertente da leggere e sicuramente affascinante.
Eppoi come abbiamo visto da poco, c'è già chi sta pensando a come costruire l'Enterprise, quindi è l'ora di parlare anche di warp drive.
http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1205/1205.2281.pdfhttp://www.link2universe.net/2012-05-24 ... -del-cern/