Vele luminose verso le stelle, il sogno di Stephen Hawking e Alpha Centauri potrebbe realizzarsi

Diventa sempre più reale la visione dell’astrofisico Stephen Hawking, il quale sognava di progettare vele a propulsione luminosa per viaggiare verso le stelle. Una nuova collaborazione tra la Brown University e la TU Delft ha portato alla creazione di vele luminose rivoluzionarie, più economiche, più veloci da realizzare e potenzialmente adatte a missioni come Starshot, che mirano a raggiungere le stelle vicine in pochi decenni anziché in millenni. Stando a quanto riportato sulla rivista Nature Communications, i ricercatori hanno realizzato un prototipo di vela luminosa combinando materiali ultrasottili e altamente riflettenti con un design su scala nanometrica ottimizzato dall’Intelligenza artificiale. Si tratterebbe di un traguardo rivoluzionario.

Incredibilmente sottile – Basta considerare che dal suo lancio nel 1977, la sonda spaziale Voyager 1 della NASA ha percorso più di 15 miliardi di miglia nello spazio profondo. È una distanza incredibile, ma è comunque meno dell’1% della strada per Alpha Centauri, la stella più vicina al nostro Sole e che il famoso cosmologo voleva raggiungere. Per raggiungere altre stelle nell’arco di una vita umana, la sonda spaziale dovrà viaggiare molto più velocemente di qualsiasi cosa abbiamo costruito finora. Una soluzione promettente è dunque una “vela luminosa”, un foglio sottile riflettente che usa la pressione della luce per spingersi, in modo simile a come il vento spinge una barca a vela. Rispetto ai sistemi di propulsione convenzionali, le vele luminose potrebbero ridurre drasticamente il tempo di viaggio verso le stelle vicine, riducendolo potenzialmente da migliaia di anni a solo pochi decenni. I primi prototipi, come Lightsail 2, hanno già solcato con successo lo spazio attorno al nostro pianeta. Nel nuovo studio i ricercatori hanno sviluppato un metodo per progettare e costruire membrane ultrasottili e altamente riflettenti per vele luminose. Il prototipo realizzato misura 60 millimetri di larghezza ma è spesso solo 200 nanometri, migliaia di volte più sottile di un capello umano. La sua superficie è ricoperta da miliardi di piccoli fori su scala nanometrica, che riducono il peso e aumentano la riflettività, rendendolo più efficiente per l’accelerazione guidata dalla luce.

“Questo lavoro è stato uno sforzo congiunto tra i teorici della Brown University e gli sperimentatori della TU Delft, che reso possibile la progettazione, la fabbricazione e il collaudo di una vela luminosa altamente riflettente con il più grande ‘aspect ratio’ mai registrato fino ad oggi”, afferma Miguel Bessa, professore associato alla Brown’s School of Engineering, che ha co-diretto la ricerca con Richard Norte, professore associato alla TU Delft. “La svolta sperimentale del team di Richard dimostra che il loro processo di fabbricazione è scalabile alle dimensioni necessarie per i viaggi interstellari e può essere eseguito – continua – in modo economicamente conveniente. Allo stesso tempo, il mio team è molto entusiasta di vedere il ruolo essenziale del nostro ultimo metodo di ottimizzazione guidato dall’apprendimento automatico nella risoluzione di un problema ingegneristico così interessante e difficile”.

I laser terrestri – La ricerca è un passo significativo verso la realizzazione di obiettivi come quelli della Starshot Breakthrough Initiative, fondata dall’imprenditore Yuri Milner e da Hawking. L’obiettivo è di utilizzare laser terrestri per alimentare centinaia di vele luminose in scala metrica che trasportano veicoli spaziali delle dimensioni di un microchip. Questo nuovo design di vela luminosa potrebbe essere portato su scala metrica abbastanza facilmente, affermare i ricercatori, e con un prezzo gestibile. Per il loro design, il team di ricerca ha utilizzato nitruro di silicio monostrato, un materiale leggero e ad alta resistenza che si adatta bene alla progettazione di vele luminose. I ricercatori hanno quindi lavorato per massimizzare la sua riflettività riducendone al minimo il peso. La riflettività della superficie determina la quantità di pressione luminosa creata dietro la vela, che a sua volta determina la velocità con cui può accelerare. Allo stesso tempo, un materiale più leggero richiede meno forza per accelerare, quindi meno massa equivale a più velocità.

Il processo di ottimizzazione ha richiesto la progettazione di un modello di fori in nanoscala, miliardi di essi sulla superficie del materiale con diametro inferiore alla lunghezza dell’onda della luce. Il team di Bessa ha utilizzato un nuovo metodo di intelligenza artificiale da loro sviluppato per ottimizzare la forma e il posizionamento dei fori per una maggiore riflettività e una riduzione del peso. Una volta ottenuto un progetto ottimizzato, i ricercatori della TU Delft si sono messi al lavoro per realizzarlo in laboratorio. “Abbiamo sviluppato una nuova incisione a base di gas che ci consente di rimuovere delicatamente il materiale sotto le vele, lasciando solo la vela”, spiega Norte. “Se le vele si rompono, è molto probabile che ciò accada durante la produzione. Una volta sospese, le vele sono in realtà piuttosto robuste”, aggiunge.

Non solo per le stelle – Realizzare questo progetto con metodi tradizionali sarebbe stato costoso e avrebbe richiesto, secondo i ricercatori, fino a 15 anni. Ma utilizzando le tecniche di Norte, la fabbricazione ha richiesto circa un giorno ed è migliaia di volte meno costosa. Il risultato è una membrana che i ricercatori ritengono abbia il più alto “aspect ratio” (lunghezza in scala centimetrica ma con spessore in scala nanometrica) di qualsiasi progetto di vela solare fino ad oggi. I ricercatori sperano che i loro metodi non solo aiutino gli esseri umani a raggiungere le stelle, ma spingano anche i limiti dell’ingegneria in scala nanometrica. “Le nuove tecniche di apprendimento automatico e ottimizzazione che abbiamo utilizzato sono molto generiche”, afferma Bessa. “Potremmo usarle per creare un sacco di cose diverse per scopi diversi. Questo è solo l’inizio. Potremmo essere sul punto di risolvere problemi di ingegneria rimasti irrisolvibili fino a ora”.

Foto: Laboratorio Norte, laboratorio TU Delft/Bessa, Brown University

Valentina Arcovio

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