La Settimana Mondiale dello Spazio di quest’anno, che si svolge tra il 4 e il 10 ottobre, celebra come la tecnologia spaziale ci aiuta nella lotta contro il cambiamento climatico sulla Terra — ma talvolta è utile guardare anche all’esterno per esplorare ciò che la tecnologia può offrirci mentre ci espandiamo nello spazio per raccogliere energie e mondi che si trovano là fuori. In questo articolo evidenziamo quattro tecnologie, esaminiamo le sfide che pongono e forniamo alcune indicazioni su quando potrebbero concretizzarsi — se mai. Le stime temporali non sono necessariamente una previsione di quando potrebbero avvenire, ma hanno l’intento di dare un’idea generale di quanto lavoro rimanga da fare su di esse. Realtà: L’energia solare spaziale potrebbe essere un passo più vicino alla realtà, grazie a questo test chiave 2040-2050: Fattorie solari spaziali Attualmente, l’energia solare fornisce poco più del 5% dell’offerta totale di elettricità del mondo, ma possiamo fare molto meglio di così. Il posto migliore per godere dell’energia del sole è nello spazio, senza nuvole a coprire la vista o un’atmosfera che assorba i raggi del nostro sole. Un’enorme serie di pannelli solari avrebbe quindi una visione totale del sole, ma la parte complicata di questa idea riguarda la costruzione di tale array spaziale in primo luogo. Inoltre, anche se in qualche modo riusciamo a realizzarlo, come faremmo a portare l’energia solare raccolta sulla Terra? Rispetto a molte tecnologie in questo elenco, la trasmissione di energia dallo spazio è effettivamente in anticipo rispetto alla curva. Nel gennaio 2023, il Dimostratore di Energia Solare Spaziale costruito da Caltech è stato lanciato in orbita terrestre. A bordo c’era uno strumento chiamato MAPLE, l’Array Microonde per il Trasferimento di Energia in Bassa Orbita. MAPLE ha convertito con successo l’energia solare in microonde e poi le ha trasmesse a una stazione di ricezione presso Caltech, dove è stata convertita in elettricità. Si trattava di una quantità di energia piuttosto bassa — solo milliwatt — ma è stata una prova di concetto entusiasmante. Un’illustrazione artistica di come potrebbe apparire il Sistema di Energia Solare Spaziale della JAXA se utilizzasse la trasmissione laser per inviare energia solare sulla Terra. (Crediti immagine: JAXA) Ora, l’Agenzia Giapponese per l’Esplorazione Aerospaziale, JAXA, in collaborazione con interessi commerciali, sta esplorando un proprio programma che l’agenzia spera di culminare in una fattoria solare capace di produrre un gigawatt di energia e trasmetterla sulla Terra. Tuttavia, costruire una fattoria solare non è semplice. Ultime notizie dallo spazio, aggiornamenti sui lanci di razzi, eventi di osservazione del cielo e molto altro! Un pannello solare nello spazio, al di sopra degli effetti assorbenti dell’atmosfera, riceve circa un chilowatt di energia per metro quadrato (10 piedi quadrati) di sole. I pannelli solari non sono però al 100% efficienti; i modelli commerciali attualmente disponibili hanno un’efficienza del solo 30%, il che significa che un pannello solare nello spazio può realisticamente produrre solo 300 watt per metro quadrato. Per scalare questo a una produzione di 1 gigawatt di energia, equivalente a una centrale nucleare sulla Terra, sarebbe necessaria una vasta array di pannelli solari, con un diametro di diversi chilometri, con una massa di 10.000 tonnellate metriche. A confronto, la Stazione Spaziale Internazionale ha una massa di 419 tonnellate metriche, il che illustra quanto sarebbe arduo questo compito ingegneristico. Supponendo che si possa costruire una fattoria solare nello spazio, questa verrebbe posizionata in orbita geosincrona, a 35.786 km (22.236 miglia) sopra la Terra. La sfida sarebbe quindi mantenere il fascio di microonde stretto e preciso — non si vorrebbe che il fascio di microonde si spostasse e bruciasse accidentalmente qualcosa. Sebbene i laser invece delle microonde sarebbero più facili da dirigere, l’energia laser può essere assorbita dal vapore acqueo nell’atmosfera o bloccata dalle nuvole, mentre le microonde attraversano liberamente. I laser, però, potrebbero essere più adatti per il trasferimento di energia da spazio a spazio. Ciò potrebbe estendere la vita dei satelliti, per esempio, ma dovrebbero essere costruiti con qualche tipo di ricevitore per accettare il fascio di potenza laser in arrivo. Potremmo anche immaginare una rete di fattorie solari e satelliti di ripetizione intorno alla Luna, che trasmettono energia tramite laser a una base lunare sulla superficie. Seconda metà del XXI secolo: Ascensori spaziali Questo è un vecchio concetto di fantascienza, originariamente concepito dallo scienziato russo Konstantin Tsiolkovsky — invece di partire in un razzo su una pericolosa colonna di fiamme, perché non salire nello spazio su una cabina di ascensore? Il design base di un ascensore spaziale suona semplice. Un cavo spesso si estende da una posizione entro 10 gradi dall’equatore terrestre nello spazio. Le forze che agiscono sul cavo sarebbero intense, con la gravità terrestre che cerca di tirarlo verso il basso, e la forza centrifuga su una massa all’estremità del cavo in orbita terrestre che lo tira dall’altra parte, mantenendolo teso. Le sollecitazioni e la tensione di questo cavo sarebbero così elevate che dovrebbe essere realizzato con un materiale 50 volte più forte dell’acciaio. L’unico materiale abbastanza forte sono i nanotubi di carbonio, i quali vengono “cresciuti” attraverso un processo di deposizione chimica da vapore. Il problema è che, come suggerisce il nome, i nanotubi di carbonio sono piccoli, e i più lunghi cresciuti sono stati circa 14 centimetri (5,5 pollici) — c’è una grande differenza rispetto ai 100.000 chilometri (62.000 miglia) di lunghezza di un ascensore spaziale. Supponiamo, però, che venga trovato un modo per produrre nanotubi più lunghi e per fabbricarli in massa. Una volta in possesso dei materiali, Stephen Cohen del Vanier College in Quebec, Canada, autore di “Getting Physics: Nature’s Laws as a Guide to Life” ed esperto nella progettazione di ascensori spaziali, pensa che la fase di progettazione successiva richiederebbe cinque-dieci anni, parallelamente alla maturazione del materiale del cavo. Un’illustrazione artistica di una stazione hub di ascensori spaziali nello spazio mentre una cabina di trasporto sale lungo la linea verso la piattaforma orbitale. I pannelli solari nelle vicinanze forniscono energia. (Crediti immagine: Obayashi Corp.) “Il cavo sarebbe svolto dall’orbita geostazionaria e infine fissato al porto terrestre,” ha detto Cohen a Space.com. “La nave che lo svolge utilizzerà carburante per guadagnare altitudine e diventare l’ancora finale a circa 100.000 chilometri di distanza. In alternativa, una nave separata trasporta la parte del cavo sopra l’orbita geostazionaria mentre l’originale assume il ruolo di un porto geostazionario, il cui è il vero centro a terra per operazioni a lungo termine. Questo processo di dispiegamento potrebbe richiedere facilmente un anno.” Mentre aspettiamo i nanotubi di carbonio, Zephyr Penotre dell’Università di Cambridge nel Regno Unito ed Emily Sandford della Columbia University a New York pensano che potremmo iniziare a costruire un ascensore spaziale dalla Luna con la tecnologia attuale. A causa della rotazione più lenta della Luna e della gravità inferiore, ragionano che la tensione percepita da un ascensore lunare non sarebbe così grande come un ascensore proveniente dalla Terra e che i polimeri di carbonio come lo Zylon farebbero al caso. Penoyre e Sandford chiamano il loro concetto “linea spaziale”. Mentre un ascensore dalla Terra sarebbe piuttosto voluminoso, forse trasportando più cabine di ascensore su e giù simultaneamente, la linea spaziale sarebbe un filo sottile con una massa totale di 40 tonnellate metriche. Ancorato sulla superficie lunare, penderebbe verso la Terra, fermandosi da qualche parte nell’orbita geostazionaria. Quindi, non toccherebbe effettivamente la Terra né la sottoporrebbe alla tensione distruttiva che ciò comporterebbe. L’idea è che una missione verso la Luna partirebbe verso l’orbita geostazionaria, si riunirebbe con la linea spaziale e la percorrerebbe per il resto del tragitto verso la Luna, o verso una base nel punto di Lagrange Terra-Luna dove la gravità della Terra e della Luna si equilibrano. Ciò ridurrebbe di un terzo la quantità di carburante necessaria per raggiungere la Luna; una missione dovrebbe comunque decollare dall’attrazione gravitazionale terrestre, ma la linea spaziale sarebbe alimentata a energia solare. Penoyre e Sandford stimano che un prototipo costerebbe miliardi di dollari, ma a lungo termine risparmierebbe denaro se desideriamo stabilirci permanentemente sulla Luna. Cohen guarda ancora più lontano, verso Marte. “Penso che un primo intervento su Marte con esseri umani preceda la costruzione dell’ascensore spaziale, ma argomenterei che nessuna colonizzazione sostenibile di Marte è realizzabile senza un’infrastruttura come l’ascensore spaziale,” ha detto. “E quindi, le fasi di progettazione e costruzione dell’ascensore spaziale dovrebbero probabilmente coincidere con i primi umani su Marte.” Attualmente, non ci sono piani concreti per gli umani per viaggiare su Marte. Molto potrebbe dipendere da come si sviluppa il programma lunare Artemis della NASA. Se una base lunare può essere costruita e abitata entro il 2030, gli astronauti possono acquisire le competenze necessarie per sopravvivere sul Pianeta Rosso, ma prima dobbiamo imparare come vivere sulla luna. E per farlo, avremo bisogno di energia, come scopriremo in seguito. 2030: Energia nucleare sulla Luna La Luna è bloccata tidally alla Terra, il che significa che vediamo sempre la sua stessa faccia, il noto “Uomo nella Luna.” Non lasciarti ingannare a pensare che la Luna non ruoti, tuttavia — lo fa, alla stessa velocità con cui ruota attorno alla nostra Terra, che è come mantenere sempre la stessa faccia rivolta verso di noi. Ci vuole poco più di 27 giorni — circa quattro settimane — per ruotare una volta, il che significa che (quasi) ovunque sulla Luna vede due settimane di luce e due settimane di notte. L’eccezione è rappresentata da alcune aree molto vicino ai poli, che possono vedere l’80% di luce solare. Tuttavia, se una base lunare dovesse essere alimentata a energia solare, avrebbe bisogno di luce solare al 100%, quindi è necessaria una fonte di energia alternativa. Le nazioni e le agenzie spaziali di tutto il mondo stanno ora gareggiando per sviluppare i primi reattori nucleari a fissione per la Luna. A febbraio, la NASA e il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti hanno selezionato tre proposte di design per un reattore di fissione da far volare in una futura missione Artemis. Il reattore ha la specifica di progettazione di produrre 40 kilowatt per almeno 10 anni sulla superficie lunare. Nel frattempo, i russi e i cinesi hanno annunciato che stanno pianificando congiuntamente una Stazione di Ricerca Lunare Internazionale con un reattore nucleare, da lanciare tra il 2033 e il 2035. Tuttavia, ammettono di non aver ancora trovato un modo per raffreddare il reattore. “Il problema principale è cosa fare con tutto quel calore residuo poiché non c’è aria sulla Luna per convettarlo,” ha detto Simon Middleburgh dell’Istituto delle Future Nucleari all’Università di Bangor nel Galles, a Space.com. Middleburgh sta collaborando con l’Agenzia Spaziale del Regno Unito e Rolls-Royce per sviluppare un reattore di fissione nucleare che potrebbe volare sulla Luna in una futura missione. Rolls-Royce ha una considerevole esperienza nella lavorazione di reattori nucleari, poiché equipaggia i sottomarini nucleari del Regno Unito con essi. “L’obiettivo per l’output energetico del reattore sarebbe nell’ordine di 100-300 kilowatt in potenza termica ed elettrica combinata – entrambi estremamente utili lassù [sulla Luna],” ha detto Middleburgh. “Questa è una quantità enorme di energia rispetto alle missioni precedenti, e man mano che il sito [per una base lunare] cresce, potremmo voler costruire un secondo o un terzo sistema che fornisca anche una garanzia per l’approvvigionamento energetico. Ma non costruiremo sistemi da 100 megawatt qualsiasi tempo presto.” 2070-2120: Viaggio interstellare Ci sono voluti nove anni per la più veloce missione spaziale mai realizzata, la New Horizons della NASA, per raggiungere Plutone a una distanza di 34 unità astronomiche (AU) dal sole. Per contestualizzare, un’unità astronomica è la distanza media tra la Terra e il sole. La stella più vicina al sole è Proxima Centauri. Si trova a 268.779 AU (4,2 anni luce) dal Sole. Dopo aver superato Plutone, New Horizons ha raggiunto una velocità di 84.000 km all’ora (52.000 mph) e ci vorrebbero circa 80.000 anni per raggiungere la distanza di Proxima Centauri. Chiaramente, dovremo trovare un modo più veloce se speriamo di viaggiare tra le stelle, ma ci sono persone che stanno lavorando sul problema. Negli anni ’70, i membri della Società Interplanetaria Britannica svilupparono il Progetto Daedalus, che era un piano per un’astronave alimentata da fusione nucleare a due stadi, ma senza equipaggio, che avrebbe potuto raggiungere infine il 12% della velocità della luce. Nel 2016, la Breakthrough Foundation ha avviato il Progetto Starshot, il cui concetto è di guidare una flotta di piccole astronavi, chiamate StarChips, collegate a vele di luce che vengono spinte fino al 20% della velocità della luce da potenti laser. Raggiungerebbero Proxima in alcuni decenni anziché secoli. Tuttavia, c’è un problema: l’output energetico del laser deve arrivare fino a 100 gigawatt — l’equivalente di 100 centrali nucleari. Per risolvere questo problema, potremmo combinare tecnologie futuristiche — le fattorie solari che potrebbero essere costruite in orbita per raccogliere energia solare potrebbero invece essere utilizzate per alimentare i laser. È tutta tecnologia che abbiamo adesso, ma su una scala molto più avanzata di quella attuale. Le stelle ci stanno aspettando — ma sembra che potrebbero dover aspettare un po’ più a lungo. In questo momento, abbiamo solo la Terra. Questo articolo fa parte di una serie speciale di Space.com in onore della Settimana Mondiale dello Spazio 2024, che si svolge dal 4 al 10 ottobre. Torna ogni giorno per un nuovo approfondimento su come la tecnologia spaziale interagisce con il cambiamento climatico.