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Vele solari diffrattive: le future superfici per lo spazio

Il nuovo progetto della NASA userebbe la diffrazione della luce per realizzare vele solari a propulsione fotonica.

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La NASA ha proposto il progetto Diffractive Solar Sail come parte della Fase III del suo programma Innovative Advanced Concepts. L’idea alla base sarebbe pensata per migliorare l’efficienza della luce solare raccolta da una nuova tecnologia di vele solari.

Vele solari e la propulsione fotonica

La propulsione solare fotonica rappresenta una sfida per diversi ambiti scientifici degli ultimi anni e, al tempo stesso, un’occasione d’innovazione tecnologica per tutta l’industria aerospaziale. Le vele solari rappresentano i mezzi di cui questo tipo di propulsione si serve. Esse possono essere descritte come grandi teli riflettenti spinti in avanti dal rimbalzo dei fotoni sulla loro superficie. La forza che si sviluppa nel vuoto, seppur non molto elevata, sarebbe abbastanza sufficiente per guidare un’astronave!

La fisica alla base delle vele solari

Vele solari La vela solare Ikaros della Japan Aerospace Exploration Agency è vista nello spazio profondo dopo il suo dispiegamento il 14 giugno 2010, in questa vista ripresa da una piccola telecamera espulsa dalla vela. Credits JAXA
La vela solare Ikaros della Japan Aerospace Exploration Agency è vista nello spazio profondo dopo il suo dispiegamento il 14 giugno 2010, in questa vista ripresa da una piccola telecamera espulsa dalla vela. Credits JAXA

Essendo protagonista proprio la luce solare, sono le equazioni di Maxwell che ne governano tutti i fenomeni elettromagnetici. Le ampie vele solari, illuminate dal Sole, subiscono una pressione nota come pressione di radiazione. Alla radiazione elettromagnetica, che trasporta energia e quantità di moto, si può associare un’intensità di energia o energia trasportata per unità di tempo e di superficie nella direzione perpendicolare al moto. Nel caso in cui la radiazione incida su di una parete, produce una pressione il cui valore dipende a seconda che la parete assorba, rifletta o sia trasparente alla radiazione stessa.

Le prime dimostrazione delle vele solari

Sin dal 2010, il primo successo di vele solari è stato grazie all’Agenzia Spaziale Giapponese (JAXA). Essa è riuscita a portare in orbita terrestre IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun), un veicolo dotato di una vela fotonica di 200 m2. Quest’ultima è stata dispiegata con successo e sono state effettuate le manovre necessarie per metterla su una traiettoria verso Venere. IKAROS ha dimostrato che si può considerare concreta la possibilità che la propulsione solare fotonica possa essere utilizzata in una missione spaziale.

La novità della NASA

La NASA ha ripreso con maggior vigore gli aspetti tecnologici, progettando un modello ancora più innovativo. I modelli fino ad ora esistenti si sono serviti di vele solari riflettenti molto grandi ma limitate dalla direzione della luce solare, costringendo a compromessi tra potenza e navigazione. Il progetto Diffractive Solar Sail, invece, realizzerebbe vele solari con piccoli reticoli incorporati in film sottili per sfruttare la proprietà della diffrazione.

Vele solari
Vela solare diffrattiva, Credits: Grover Swartzlander – Diffractive Light Sails and Beam Riders

Ed ecco il vantaggio…

Grazie a questa innovazione tecnologica, la luce, grazie al fenomeno di diffrazione, si diffonderebbe anche attraverso un’apertura molto stretta. Ciò consentirebbe al veicolo spaziale di utilizzare in modo più efficiente la luce solare senza sacrificare la manovrabilità. L’uso innovativo della luce solare diffratta anziché riflessa offre una vela rivolta verso il sole più efficiente. Si realizzerebbe allora una vela più piccola, con una navigazione e controllo dell’assetto meno complessi e una potenza ridotta. I miglioramenti della propulsione sono possibili riducendo la massa dell’imbarcazione a vela combinando elementi diffrattivi passivi e attivi.

Un guadagno rispetto alla propulsione convenzionale

Vele solari
Diffractive Sail, Circumnavigating the sun with diffractive solar sails Amber L.DubillGrover A.SwartzlanderJr.

Le vele luminose diffrattive, spinte dalla pressione costante, sarebbero in grado di posizionare una costellazione di veicoli spaziali attorno ai poli del Sole. Questo infatti risulta difficile se pensato con la sola propulsione di veicoli spaziali convenzionali. L’utilizzo del nuovo concetto di propulsione permetterebbe quindi di fornire misurazioni complete corona solare e dei campi magnetici di superficie. I dati della missione faranno avanzare significativamente la scienza dell’eliofisica e allungheranno i tempi delle previsioni meteorologiche spaziali.

Le vele potranno viaggiare nel Sistema Solare?

Molto probabilmente. Le vele solari acquisterebbero via via una velocità sempre più elevata e ciò permetterebbe di raggiungere la meta desiderata in un tempo ridotto. Rispetto a un satellite a grandezza naturale, un satellite molto leggero e di dimensioni ridotte in una vela solare accorgerebbe i tempi di viaggio per una missione. Utilizzando orbite che hanno un perielio molto vicino al Sole, la
propulsione a fotoni solari permetterebbe di raggiungere velocità dell’ordine delle centinaia di chilometri al secondo
, sfruttando l’effetto combinato dei fotoni e della gravità del sole.

Il nuovo concetto della propulsione

L’uso delle vele solari rivoluzionerà il modello di propulsione. Alla spinta potentissima e per un tempo breve ad esempio di enormi razzi che trasportano satelliti, le vele solari lavoreranno con una piccolissima spinta della luce solare per un periodo paragonabile alla durata della missione. Per la propulsione fotonica, la velocità finale non viene infatti raggiunta dopo pochi minuti dal lancio, ma costruita durante tutto il viaggio secondo una traiettoria che consente di aumentare costantemente la velocità della sonda. Una accelerazione dell’ordine di 1 mm/sec2 consente di raggiungere la velocità di 30 km/s in un anno.

Possibili materiali da costruzione

I materiali oggigiorno più idonei rientrano nella categoria dei polimeri. Essi dovrebbero avere densità tra i 1200 e 1800 kg/m3, capaci di produrre superficie estese con spessore dell’ordine di qualche micrometro. Si tratterebbe di compositi a strato sottile abbastanza forti da supportare i carichi utili dei satelliti o fungere da supporto per grandi veicoli spaziali. Inoltre, per rendere le vele riflettenti, è necessario depositarvi un film di alluminio (con spessori tra gli 80 e 100nm). Altra considerazione è la massa complessiva del veicolo spaziale. Le future missione infatti saranno costituite, oltre che dalla vela, dal carico utile, contenente gli strumenti scientifici e sistemi di bordo.

Vele solari Langley Research Center della NASA testano l'implementazione della vela solare dell'Advanced Composite Solar Sail System. La vela solare spiegata è di circa 30 piedi (circa 9 metri) di lato, Credits Nasa
Langley Research Center della NASA testano l’implementazione della vela solare dell’Advanced Composite Solar Sail System. La vela solare spiegata è di circa 30 piedi (circa 9 metri) di lato, Credits NASA.

I rischi di una vela solare

Le nuove tecnologie dovranno essere in grado di sintetizzare nuovi polimeri con carico di rottura sempre più grande. Le condizioni operative della vela non dovranno andare incontro a degradazione per effetto della radiazione UV. Particolare attenzione dovrà essere fatta all’impacchettamento iniziale della vela e al successivo dispiegamento nello spazio. La propulsione fotonica impone di usare poca massa e sfruttare poca energia, di modo da aggiungere strutture che non comportino un aumento significativo della massa totale. Poiché la pressione della radiazione solare è piccola, la vela solare dovrà essere di dimensioni non troppo ridotte, per generare in modo efficiente la spinta.

Il futuro spetta all’ ottimizzazione del materiale della vela e alla successiva sperimentazione a terra. La vela diffrattiva estenderà la capacità della vela solare oltre ciò che è possibile con le missioni in via di sviluppo oggi. Il futuro spetta all’ ottimizzazione del materiale della vela e alla successiva sperimentazione a terra.

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