BREVE SAGGIO SULLA PROPULSIONE A CURVATURA parte 1

PREMESSA: LA PROPULSIONE A IMPULSO

Nel XXIV secolo il volo interstellare fa parte integrante della vita di ogni giorno, come un tempo lo erano gli spostamenti sulla superficie dei pianeti. Le odierne navi stellari offrono un livello di comfort talmente elevato da indurre l'utente medio a considerare il viaggio nello spazio come qualcosa di facile e scontato, senza riflettere sugli enormi problemi scientifici e tecnologici che è stato necessario risolvere negli ultimi 3 secoli per giungere alle prestazioni attuali, che la maggior parte degli scienziati vissuti nell'epoca pre-curvatura considerava impossibile da realizzare.

Tra questi problemi, quello della forma di propulsione ha rappresentato senza dubbio l'ostacolo più arduo da superare: prima della scoperta della teoria della curvatura, difatti, la maggior parte delle civiltà conosciute riteneva che il limite della velocità della luce rendesse praticamente impossibili i viaggi interstellari. All'epoca, difatti, l'unica forma di propulsione conosciuta era rappresentata dai motori a impulso, basati sulla terza legge della dinamica classica. Al fine di comprendere i principi posti a base della teoria della curvatura, e i complessi problemi che ha consentito di risolvere, ritengo opportuno illustrare brevemente i limiti insiti nella propulsione ad impulso, richiamando, quando necessario, le nozioni di fisica classica e relativistica necessari per la loro comprensione.

La propulsione ad impulso, come detto, è fondata sulla terza legge della dinamica classica, conosciuta come principio di azione e reazione: ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria; in altre parole, ogni volta che ad un corpo viene applicata una determinata forza, si genera (per reazione) una forza di pari intensità, stessa direzione e verso opposto.
A questo punto è bene richiamare, per completezza di comprensione, le altre due leggi della dinamica classica.
Secondo la prima (principio di inerzia), ogni corpo tende a conservare il proprio stato di quiete (o di moto rettilineo uniforme), sino all'intervento di una forza esterna che modifichi tale stato. L'inerzia può essere dunque definita come la resistenza che un corpo oppone alla variazione del suo stato di quiete o di moto.

La seconda legge della dinamica classica afferma invece che applicando una forza ad un corpo, lo stesso subisce un'accelerazione direttamente proporzionale alla forza medesima, e inversamente proporzionale alla propria massa (f = m x a).
Questa legge è importante perché definisce il concetto di massa inerziale1, ossia di resistenza all'accelerazione: la stessa forza genera accelerazioni uguali in corpi di masse uguali e diverse in corpi di masse diverse. Per applicare una forza ad un corpo occorre, ovviamente, impiegare dell'energia, ossia, con espressione più tecnica, compiere un lavoro: l'energia viene difatti definita come la capacità di un sistema (ad esempio, di un motore) di compiere un lavoro, che è a sua volta definito come il prodotto della forza applicata ad un corpo per lo spostamento ottenuto2.

Poiché però il discorso rischia di divenire noioso, sarà meglio passare alle navi spaziali. Muovere un oggetto nello spazio comporta diversi vantaggi rispetto al movimento sulla superficie di un pianeta: l'assenza di attrito atmosferico e di campi gravitazionali3 comporta che, una volta impressa una determinata velocità, l'oggetto la conserverà indefinitamente, senza che sia necessario impiegare energia per mantenerla.

Supponiamo di essere a bordo di una navetta e di attivare i motori ad impulso: il sistema di propulsione preleverà del deuterio dai serbatoi e lo porterà a 15 milioni di gradi: a tale temperatura gli atomi di idrogeno si fonderanno per produrre atomi di elio, e una piccola parte di materia, circa lo 0,1%, si trasformerà in energia, secondo la nota relazione E=mc2. Otterremo così del plasma da eiettare dagli ugelli ad altissima velocità, e per reazione verremo spinti nella direzione opposta: in avanti se usiamo gli ugelli posteriori, a destra se usiamo quelli di sinistra ecc.. Una volta raggiunta la velocità desiderata, ad es. 1000 km/h, possiamo spegnere i motori e la navetta manterrà invariata tale velocità (nonché la direzione), sinché non interverremo sui comandi.
Tutto facile dunque. Sì, se ci accontentiamo di percorrere brevi distanze. Ma se vogliamo raggiungere un'altra stella, le cose diventano terribilmente complicate!

Cominciamo col più famoso limite di velocità dell'universo, quello della luce (o, in generale, della radiazione elettromagnetica): circa 300.000 Km al secondo nel vuoto (indicato comunemente con la lettera c). Se avete una vaga idea delle dimensioni dell'universo (diametro: circa 30 miliardi di anni luce4), della nostra galassia (diametro: circa 100.000 anni luce), o della distanza dalla stella più vicina (che nel caso del Sole è Proxima Centauri, lontana circa 4,3 anni luce), appare evidente come tale velocità sia troppo modesta per percorrere simili distanze in tempi accettabili. Ma perché non è possibile andare più veloci? Per rispondere a questa domanda dobbiamo richiamare alcuni principi di fisica relativistica. Leggi tutto ...