Esistono numerosi concetti per sfruttare il vento solare come mezzo di propulsione: la MagSail, l'e-sail e il magnete al plasma. Tutti questi concetti funzionano prevalentemente come dispositivi di trascinamento e quindi sono limitati a velocità pari al vento solare (~700 km/s), con solo una capacità limitata di generare forza trasversale alla direzione locale del vento solare (cioè portanza). Una possibilità interessante da esplorare è il volo dinamico: sfruttare la differenza di velocità del vento in due diverse regioni dello spazio. È noto che gli albatri e gli alianti utilizzano questa tecnica, volteggiando dentro e fuori dalle regioni di wind shear. Birch (JBIS, 1989) ha suggerito che tale tecnica potrebbe essere utilizzata tramite una “ala MHD” per applicazioni di viaggio interstellare, ma non ha esplorato ulteriormente il concetto.
Un veicolo spaziale con antenna direzionale a onde di plasma che imprime slancio al mezzo interplanetario o interstellare locale, generando una forza sull'antenna (portanza). Vengono effettuate ripetute manovre di volo dinamico per estrarre energia e guadagnare multipli della velocità del vento solare per raggiungere velocità fino a dieci volte superiori alla velocità massima del vento solare e raggiungere circa il 2% della velocità della luce.
Lo sviluppo del concetto di interazione con il vento solare come mezzo di propulsione richiederà una convalida sperimentale in più fasi, la prima delle quali sarebbe la dimostrazione di una resistenza significativa contro il vento solare utilizzando una struttura magnetica per la propulsione. Il magnete al plasma sembra essere il più performante in termini di accelerazioni dei concetti di resistenza esaminati nell'Introduzione, quindi una dimostrazione della tecnologia del magnete al plasma sembrerebbe essere il passo logico successivo. Uno studio recente ha proposto un piccolo concetto dimostratore cubesat da 16U chiamato Jupiter Observing Velocity Experiment (JOVE) che potrebbe transitare nell’orbita di Giove appena 6 mesi dopo il lancio dalla Terra. Un'altra applicazione della tecnologia dei magneti al plasma che cavalcano il vento sarebbe la dimostrazione del rapido accesso alla distanza della lente gravitazionale solare (SGL) (>550 UA). Lo studio, chiamato Wind Rider Pathfinder Mission, ha dimostrato che è possibile accedere alla regione SGL in meno di 7 anni dal lancio utilizzando questa tecnologia. Queste missioni rivoluzionarie fornirebbero la conferma che una significativa energia propulsiva potrebbe essere estratta dal vento solare, fornendo una base per il concetto più avanzato di estrazione di energia elettrica dal vento per la generazione di portanza.
L’invio di telescopi alla lente gravitazionale solare aumenterebbe le capacità di visualizzazione di un telescopio miliardi di volte perché osserverebbe la luce focalizzata dal sole largo quasi un milione di miglia. un telescopio solare con lenti gravitazionali. Alle lunghezze d’onda ottiche o quasi ottiche, l’amplificazione della luce è dell’ordine di 200 miliardi di volte e con una risoluzione angolare altrettanto impressionante. Se riuscissimo a raggiungere questa regione a partire da 550 UA dal Sole, potremmo eseguire l’imaging diretto degli esopianeti. Una missione di imaging è impegnativa ma fattibile, utilizzando tecnologie già disponibili o in fase di sviluppo attivo. In condizioni realistiche, l’imaging megapixel di esopianeti simili alla Terra nel nostro vicinato galattico richiede solo settimane o mesi di tempo di integrazione, non anni come si pensava in precedenza.
Il team ha studiato l'invio di telescopi da un metro circa venti volte più lontano di Plutone per sfruttare la gravità della luce del sole che devia. Il sole è largo 865000 miglia ed è 109 volte più largo della terra. La gravità ti consente di sfruttare il sole come un gigantesco collettore di luce. Possiamo allontanarci di 3 giorni luce dalla Terra e immaginare pianeti in altri sistemi solari. Sarebbe come se inviassimo una sonda nell'altro sistema solare.
Se questo metodo funzionasse potremmo esplorare altri sistemi solari nel 2030.
Questo approccio si basa sul concetto di un azionamento propulsivo alimentato dalla pressione dinamica esterna [il cosiddetto q-drive (Greason, 2019)], tuttavia, nel presente concetto, non viene utilizzata alcuna massa di reazione a bordo. Utilizzando la generazione di energia esterna per accelerare la materia disponibile nel vento solare perpendicolare al flusso sopra il veicolo, viene generata una portanza di grandezza maggiore rispetto alla resistenza generata dal processo di estrazione di potenza. Il risultato è un tipo di ala che genera portanza, ma senza struttura fisica. Nella Sezione 2, i principi di funzionamento di questo meccanismo generatore di portanza sono sviluppati in dettaglio. Nella Sezione 3, i potenziali concetti di missione sono sviluppati utilizzando le regioni ad alto wind shear disponibili nel Sistema Solare, vale a dire, l’interfaccia tra il vento solare veloce (polare) e lento (equatoriale) e lo shock di terminazione dove il vento solare ritorna da supersonico a supersonico. flusso subsonico, per raggiungere velocità pari a ≈2% di c.
Diverse strutture nel Sistema Solare offrono gradienti di vento sufficientemente grandi da consentire manovre di volo dinamico per estrarre energia. Tali strutture includono ma non sono limitate a: lo shock di terminazione, l'eliopausa, il vento solare lento e veloce e il confine della magnetosfera planetaria. Mentre la densità di queste strutture varia, l’analisi dei dispositivi di trascinamento come il magnete al plasma ha dimostrato che l’estensione della magnetosfera generata artificialmente attorno al veicolo si espande naturalmente al diminuire della densità circostante. Nello specifico, la struttura magnetica attorno alla navicella si espanderà finché la pressione magnetica non corrisponderà alla pressione dinamica del vento solare. Questo effetto fa sì che dispositivi come il magnete al plasma abbiano una resistenza quasi costante mentre si muovono verso l’esterno dal Sole. Ai fini dell'analisi in questo articolo, abbiamo adottato valori costanti di resistenza e, poiché la potenza di portanza generata deriva dal movimento del dispositivo di trascinamento attraverso il plasma, anche valori costanti di portanza.
Un veicolo (o un uccello) esegue una collisione elastica quando entra nel flusso d'aria in movimento tramite una manovra virata a bassa resistenza. Quando il veicolo rientra nell'aria quiescente, ha guadagnato il doppio della velocità del flusso del vento. Virando quindi nell'aria quiescente, il veicolo può rientrare nella corrente del vento e aumentare nuovamente la sua velocità, ripetendo la manovra più e più volte finché le perdite di resistenza non contrastano i guadagni di velocità e viene raggiunta la velocità massima. Recentemente, gli appassionati di alianti telecomandati hanno raggiunto velocità notevoli che superano gli 850 km/h, circa 10 volte la velocità del vento, utilizzando questa tecnica con alianti privi di propulsione a bordo.
Un veicolo spaziale può interagire con flussi di gas ionizzato nello spazio (il vento solare o il mezzo interstellare) per essere accelerato a velocità superiori alla velocità del flusso. Ispirandosi alle manovre di volo dinamico eseguite da uccelli marini e alianti in cui le differenze nella velocità del vento vengono sfruttate per guadagnare velocità, nella tecnica proposta un veicolo spaziale che genera portanza gira tra regioni dell'eliosfera che hanno velocità del vento diverse, guadagnando energia nel processo senza l'uso di propellente e con un modesto fabbisogno energetico a bordo.
Nell’analisi più semplice, il movimento del veicolo spaziale può essere modellato come una serie di collisioni elastiche tra regioni del mezzo che si muovono a velocità diverse. Vengono sviluppati modelli più dettagliati della traiettoria del veicolo spaziale per prevedere i potenziali guadagni di velocità e la velocità massima che può essere raggiunta in termini di rapporto portanza/resistenza del veicolo. Viene proposto un meccanismo di generazione di portanza in cui l'energia viene estratta dal flusso sopra il veicolo nella direzione di volo e quindi utilizzata per accelerare il mezzo circostante nella direzione trasversale, generando portanza (cioè una forza perpendicolare al flusso). È dimostrato che valori elevati del rapporto portanza/resistenza sono possibili nel caso in cui una piccola velocità trasversale viene impartita su un'ampia area di interazione. Il requisito di un'ampia area di interazione nella densità estremamente bassa dell'eliosfera preclude l'uso di un'ala fisica, ma è fattibile l'uso di onde di plasma generate da un'antenna compatta e direzionale per impartire slancio al mezzo circostante, con l'eccitazione di Onde R, onde X, onde Alfven e onde magnetosoniche appaiono come candidati promettenti. Viene definita una missione concettuale in cui il volo dinamico viene eseguito sullo shock terminale dell'eliosfera, consentendo a un veicolo spaziale di raggiungere velocità prossime al 2% di c entro due anni e mezzo dal lancio senza il dispendio di propellente. La tecnica potrebbe comprendere la prima fase di una missione multistadio per realizzare un vero volo interstellare verso altri sistemi solari.
Le vele solari sono il primo esempio di una tecnologia di propulsione che utilizza i fotoni liberamente disponibili emanati dal Sole, ma anche la vela solare più estrema, lanciata da vicino al Sole utilizzando materiali a temperatura più elevata con la densità areale più bassa (ad esempio, aerografite), sarebbe in grado di raggiungere solo il 2% di c (Heller et al., 2020); le vele solari più convenzionali sono limitate a meno dello 0.5% di c (Davoyan et al., 2021). Recentemente, Lingam e Loeb (Lingam e Loeb, 2020) hanno esaminato oggetti astrofisici (ad esempio, stelle massicce, supernovae, ecc.) che consentirebbero a una vela leggera spinta dalle radiazioni di raggiungere velocità pari al 10% di c o superiori, ma questo ancora lascia il problema di come la tecnologia umana proveniente dal Sistema Solare possa realizzare il volo interstellare.
Brian Wang è un leader del pensiero futurista e un popolare blogger scientifico con 1 milione di lettori al mese. Il suo blog Nextbigfuture.com è al primo posto tra i blog di notizie scientifiche. Copre molte tecnologie e tendenze dirompenti tra cui spazio, robotica, intelligenza artificiale, medicina, biotecnologia anti-invecchiamento e nanotecnologia.
Noto per l'identificazione di tecnologie all'avanguardia, è attualmente co-fondatore di una startup e raccolta fondi per aziende ad alto potenziale in fase iniziale. È Head of Research for Allocations for Deep Technology Investment e Angel Investor presso Space Angels.
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