Dalle palline del pachinko alle astronavi: 3. La sonda Hayabusa ed il progetto Orione

Modello in scala 1:1 della sonda giapponese Hayabusa.

Osservando le immagini  o il video del post precedente possiamo vedere come – dopo la partenza della pallina verso sinistra – il blocco di palline + magnete si è  spostato verso destra. La conservazione dell’impulso sancisce che se lanciamo un oggetto in una direzione ci spostiamo dalla parte opposta. 

Navi, aerei – sia ad elica che a reazione – sfruttano questo principio: spingono acqua o aria da una parte per avanzare nel verso opposto. Missili e razzi non sono diversi; inoltre –  sia perché richiedono enormi accelerazioni che perché devono muoversi nel vuoto dello   spazio  –  sono costretti a trasportare il gas al loro interno.

Foto dell'asteroide Hitokawa ripresa dalla sonda Hayabusa

Tutti i sistemi di propulsione spaziale si basano sul principio di azione e reazione: per ottenere la spinta necessaria si può usare una reazione chimica che espelle una  gran quantità di gas espulso ad velocità  supersonica   o – come nei motori a ioni - una  microscopica quantità di gas espulso a velocità prossima a quella della luce. Alle particelle di gas vengono strappati gli elettroni: gli atomi così ionizzati possono esser accelerati con un campo elettrostatico non diverso da quello presente nei vecchi televisori a tubo catodico. La missione giapponese Hayabusa,  sfruttava con successo la propulsione a ioni.  Questa complessa missione ha subito una serie interminabile di vicissitudini (narrate in un recente film), problemi e malfunzionamenti ma  è riuscita ad atterrare con successo sull’asteroide Hitokawa riportando sulla Terra per la prima volta  del materiale proveniente da un altro corpo celeste oltre alla Luna.
Non utilizzando una reazione chimica, questo tipo di motori è estremamente  efficiente ma poco potente, generando una lenta ma costante spinta adatta a missioni automatizzate destinate a passare decenni nello spazio interplanetario.

Ipotetica astronave classe Orione: l'esplosione nucleare
 spinge il disco in basso a destra. Il disco assorbe l'onda
d'urto e spinge l'astronave proteggendo allo stesso tempo
gli astronauti dalla radiazione. (da qui)

Al momento non si conoscono metodi di propulsione che facciano a meno del principio di azione e reazione: con l’energia nucleare si può fare a meno della propulsione chimica generando spinte enormi. Il progetto Orione - di cui abbiamo già parlato - prevedeva già negli anni ’60 di sfruttare la spinta dell’esplosione nucleare per accelerare delle vere e proprie astronavi con una efficienza migliaia di volte maggiore di quella dei razzi attuali. L’onda d’urto dell’esplosione atomica avrebbe colpito uno spesso disco posto sul retro dell’astronave. Questa piastra aveva la duplice funzione di schermare gli astronauti  dalle radiazioni e spingere – con un sistema di molle – tutta la navicella.  Con un sistema del  genere sarebbe stato possibile raggiungere Marte in due settimane (rispetto a quasi un anno delle missioni attuali) e Plutone in un anno. Varianti più sofisticate avrebbero potuto raggiungere anche il 5% della velocità della luce, rendendo plausibile un piano di esplorazione robotica dello spazio interstellare a noi vicino riconvertendo  allo stesso tempo una parte delle armi nucleari per scopi pacifici. Negli anni '60 il trattato di non proliferazione nucleare uccise Orione, lasciandoci sulla terra a giocare con le palline del pachinko e a zoppicare a poche centinaia di chilometri dalla Terra con  i combustibili chimici. 

(3, fine) Questo post in tre parti partecipa all'edizione di Febbraio 2012 de  'Il Carnevale della Fisica'  
Qui la prima parte
Qui la seconda parte