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Gli astronomi hanno atteso decenni per il lancio del James Webb Space Telescope, che promette di scrutare nello spazio dove mai eravamo arrivati prima. Ma se gli esseri umani vogliono effettivamente raggiungere il nostro vicinato stellare, dovranno aspettare un po' più a lungo: una sonda inviata ad Alpha Centauri con un razzo avrebbe bisogno di circa 80.000 anni per arrivarci.
Igor Bargatin, Professore Associato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata, sta cercando di risolvere questo problema futuristico con idee tratte da una delle più antiche tecnologie di trasporto dell'umanità: la vela.
Come parte della Breakthrough Starshot Initiative, lui e i suoi colleghi stanno progettando le dimensioni, la forma e i materiali per una vela spinta non dal vento, ma dalla luce. Utilizzando materiali nanoscopicamente sottili e una serie di potenti laser, una tale vela potrebbe trasportare una sonda delle dimensioni di un microchip a un quinto della velocità della luce, abbastanza veloce da fare il viaggio verso Alpha Centauri in circa 20 anni, piuttosto che millenni.
"Raggiungere un'altra stella nel corso della nostra vita richiederà una velocità relativistica, o qualcosa che si avvicina alla velocità della luce", ha dichiarato Bargatin. "L'idea di una vela leggera è in circolazione da un po' di tempo, ma attualmente stiamo cercando di capire come assicurarci che quei progetti sopravvivano al viaggio".
Gran parte delle ricerche precedenti sul campo hanno presunto che il sole avrebbe fornito passivamente tutta l'energia di cui le vele leggere avrebbero bisogno per muoversi. Tuttavia, il piano di Starshot per portare le sue vele a velocità relativistiche richiede una fonte di energia molto più focalizzata. Una volta che la vela è in orbita, una massiccia schiera di laser terrestri addestrerebbe i loro raggi su di essa, fornendo un'intensità luminosa milioni di volte maggiore di quella del sole.
Dato che l'obiettivo dei laser sarebbe una struttura larga tre metri e mille volte più sottile di un foglio di carta, capire come evitare che la vela si strappi o si sciolga è una grande sfida di progettazione.
Bargatin, Deep Jariwala, Assistant Professor presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dei Sistemi, e Aaswath Raman, Assistant Professor presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la UCLA Samueli School of Engineering, hanno ora pubblicato un paio di articoli sulla rivista Nano Letters che delineano alcune di queste specifiche fondamentali.
Un articolo, guidato da Bargatin, dimostra che le vele leggere di Starshot, proposte per essere costruite con fogli ultrasottili di ossido di alluminio e disolfuro di molibdeno, dovranno oscillare come un paracadute piuttosto che rimanere piatte, come ipotizzato da gran parte della ricerca precedente.
Piuttosto che un foglio piatto, Bargatin e i suoi colleghi suggeriscono che una struttura curva, all'incirca tanto profonda quanto larga, sarebbe più in grado di sopportare la tensione dell'iper-accelerazione della vela, una trazione migliaia di volte quella della gravità terrestre.
"I fotoni laser riempiranno la vela proprio come l'aria gonfia un pallone", afferma Matthew Campbell, ricercatore post-dottorato nel gruppo di Bargatin e autore principale del primo articolo. "E sappiamo che i contenitori leggeri e pressurizzati dovrebbero essere sferici o cilindrici per evitare strappi e crepe. Pensate ai serbatoi di propano o anche ai serbatoi di carburante sui razzi".
L'altro documento, guidato da Raman, fornisce informazioni su come il pattern su scala nanometrica all'interno della vela potrebbe dissipare in modo più efficiente il calore che viene fornito con un raggio laser un milione di volte più potente del sole.
"Se le vele assorbono anche una piccola frazione della luce laser incidente, si riscalderanno fino a temperature molto elevate", ha spiegato Raman. "Per assicurarci che non si disintegrino, dobbiamo massimizzare la loro capacità di irradiare il loro calore, che è l'unica modalità di trasferimento di calore disponibile nello spazio".
Precedenti ricerche sulla vela leggera hanno dimostrato che l'utilizzo di un design a cristallo fotonico, essenzialmente costellando il "tessuto" della vela con fori regolarmente distanziati, massimizzerebbe la radiazione termica della struttura. Il nuovo documento dei ricercatori aggiunge un altro strato: campioni di tessuto velico legati insieme in una griglia.
Con la spaziatura dei fori che corrisponde alla lunghezza d'onda della luce e la spaziatura dei campioni che corrisponde alla lunghezza d'onda dell'emissione termica, la vela potrebbe sopportare una spinta iniziale ancora più potente, riducendo la quantità di tempo di cui i laser avrebbero bisogno per rimanere sul loro bersaglio.
"Alcuni anni fa, anche pensare o fare un lavoro teorico su questo tipo di progetto era considerato inverosimile", ha dichiarato Jariwala. "Ora, non solo abbiamo un design, ma il design è basato su materiali reali disponibili nei nostri laboratori. Il nostro piano per il futuro sarebbe quello di realizzare tali strutture su piccola scala e testarle con laser ad alta potenza".