Razzi e volo spaziale: lezione tenuta alla scuola di raggi cosmici dallo spazio, L'Aquila 2017

Il video qui sotto è la registrazione della lezione tenuta nel giugno 2017 alla Scuola internazionale di raggi cosmici al GSSI, L'Aquila. Tratta del volo spaziale, umano e non, delle orbite e dei razz ed è una versione molto accorciata del corso di Space Instruments che tengo all'Università di Roma Tor Vergata

Lecture given at the International School of Cosmic Rays from space, GSSI laboratories, L'Aquila, 15-6-2017

Cos'è la Forza

(no spoiler) Spiegone lungo del gif animato apparso originariamente qui.

Sicuramente non sono midiclorians, sciocche superstizioni di un giovane Obi-Wan, e un ormai senescente George Lucas  (non che JJA abbia fatto meglio, ma non divaghiamo).

D’altro canto in rete circola questa immagine in cui un anziano Obi-Wan cita la seconda legge di Newton: F=ma (sotto le formule pizzose). Questa equazione è rivoluzionaria perché sancisce che la somma delle forze agenti su un corpo lo accelera, ossia ne fa variare la velocità. Per secoli si è invece pensato che fosse necessaria una forza continua per mantenere un corpo in moto perché non si comprendeva il ruolo di tutte le forze di attrito, che dissipano energia sotto forma di calore.

Tuttavia la formulazione nota come "legge di Newton" (enunciata da Obi-Wan) non è corretta perché non tiene conto dei casi in cui la massa varia. L’espressione più generale (formulazione di Yoda) dice che la forza applicata a un corpo ne varia l’impulso p, ossia il prodotto tra la massa del corpo per la sua velocità.

Cos'è la Forza

In omaggio a Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935), padre dell'astronautica e dell'equazione del razzo (alle spalle della statua.

Niente viaggi interstellari, almeno per il momento

Il sogno di futuri viaggi interstellari si deve scontrare con l’impossibilità teorica – formalizzata dalla teoria della relatività – di poter viaggiare più veloci della luce.

Un rapporto interno della NASA del 2011 sembrerebbe descrivere la possibilità di aggirare questo ostacolo realizzando un “warp field” (secondo le parole degli autori), una distorsione spazio-temporale simile a quella su cui si basano i motori delle astronavi del mondo fantascientifico di Star Trek.

Per quanto gli autori appartengano ad un laboratorio di propulsione avanzato della NASA – con ll’obiettivo di sviluppare nuovi concetti e nuove metodologie per propulsione non convenzionale di razzi e capsule spaziali – i lavori di questo gruppo sembrano sconfinare troppo nella fantascienza.

Nello specifico, l’articolo e lavori simili (nessuno è pubblicato su riviste con referee, salvo uno teorico sulla relatività) trattano semplicemente della messa a punto di un preciso pendolo di torsione(1), ossia uno strumento in grado di misurare con precisione l’intensità delle forze cui essi è soggetto . Quello descritto è in fase di costruzione e sarà completato in un prossimo futuro.

Sempre nello stesso rapporto interno vengono introdotti due metodi di propulsione agli antipodi: uno basato sull’effetto Casimir e l’altro sul famigerato “campo di warp”.

(continua a leggere su scientificast.it)

La strada delle stelle è aperta: 1) Sergei Korolev, Yuri Gagarin e lo Sputnik

Yuri Gagarin, a sinistra, e Sergei Korolev,
 a destra (foto TASS) 

Sergei Korolev (1907-1966) è l'artefice - ancora oggi poco conosciuto -  dei successi del programma spaziale sovietico. Capo progettista del programma spaziale sovietico progettò molti dei razzi e delle capsule spaziali dell'Unione Sovietica, alcuni dei quali ancora utilizzati. Per motivi di segretezza, il nome di questo pioniere dello spazio fu tenuto segreto sino a dopo la sua morte e solo dopo il crollo dell’URSS è stato possibile rendergli il dovuto omaggio. 

Korolev disegnò il missile intercontinentale balistico R-7 da cui derivò il razzo che lanciò il primo satellite artificiale, lo Sputnik-1 (che in russo significa satellite) nell’ottobre 1957. Avuta conferma del riuscito lancio dello Sputnik, Korolev disse ai suoi colleghi, “Congratulazioni, la strada delle stelle è aperta”. A questo successo  seguì un solo mese dopo lo Sputnik-2 con a bordo il cane Laika[1].

Modello ingegneristico dello Sputnik,
 gemello identico del primo satellite
 artificiale lanciato nel 1957.
Museo di Baikonur. (fda)

Il 12 Aprile 1961 una nuova conquista: Yuri Gagarin è il primo uomo a raggiungere lo spazio. A bordo della sua Vostok 1 orbitò intorno alla terra per circa 108 minuti prima di atterrare nelle steppe del Kazakistan. Il primo  cosmonauta russo dovette sopportare le intense accelerazioni del lancio, l’assenza di gravità e soprattutto il duro atterraggio, nel quale dovette prima espellersi dalla capsula con il seggiolino eiettabile e poi sganciarsi da esso per paracadutarsi al suolo. Al suo arrivo fu acclamato come eroe, sia in URSS che nel resto del mondo.

“La Strada delle stelle è aperta”.
La frase detta da Sergei Korolev campeggia
 nel piazzale da cui Gagarin ed i cosmonauti partivano 
 per le missioni spaziali (fda)

La consolle utilizzata per lanciare la Vostok
 con a bordo Yuri Gagarin. Al centro  è presente il logbook della rampa di lancio. Museo di Baikonur (fda)

Secondo  il colonnello Valentin Petrov – amico di Gagarin –  fu questa notorietà ad indurre Khrushchev ad attribuire al giovane pilota la frase “Sono stato nello spazio ma non ho visto Dio”. Sempre secondo Petrov, la frase  fu pronunciata per la prima volta dal premier sovietico al congresso del partito dell’URSS e poi da lui attribuita a Gagarin per il maggiore peso che avrebbe avuto – sia in Russia che nel mondo – se proveniente sulle labbra del famoso cosmonauta.

L’importanza di Gagarin gli impedì purtroppo di raggiungere nuovamente le stelle ed il famoso ma sfortunato cosmonauta perì il 27 marzo 1968 in un incidente aereo.

Gagarinsky Start, la rampa di lancio da cui sono stati lanciati lo
 Sputnik e Gagarin. A bordo del razzo Soyuz in foto è presente il
satellite russo Resurs-DK1 con l’esperimento italo-russo
 PAMELA. (14 Giugno 2006, fda)

Parte 1/continua
(Parte 2)
Questo post fa parte del Carnevale della Fisica, edizione di Aprile, ospitato dal blog di Leonardo Petrillo 

Note:

 [1] Al di là dell’oceano fu solo dopo una serie di ritardi e lanci falliti che  l’Explorer-1, primo satellite  statunitense venne lanciato nel gennaio 1958 grazie alla direzione del tedesco Von Braun.

[2] Plesetsk nacque come base per il lancio di ICBM verso gli Stati Uniti, anche se l’unica volta che i missili furono armati con testate nucleari fu nella crisi di Cuba del 1961. Nel 1962 Plesetsk fu selezionata come base per i lanci spaziali e le rampe degli ICBM furono riconvertite.

Dalle palline del pachinko alle astronavi: 2. il cannone di Gauss, i treni magnetici ed i lanci orbitali.

Treno giapponese a levitazione
magnetica MLX-01. (prototipo non
utilizzato nel trasporto passeggeri.

Abbiamo visto nel post precedente  come una pallina che colpisce una fila di biglie identiche  trasferisce tutta la sua energia a quella dal lato opposto, che si allontana  con una velocità identica a quella del proiettile iniziale.
Se agganciamo un magnete alle biglie del pachinko la situazione muta drammaticamente: la calamita attira il proiettile in metallo accelerandolo negli ultimi istanti prima dell’impatto. In questo modo colpisce con forza  la fila di palline, lanciando la biglia nel verso opposto ad una velocità più di dieci volte superiore di quella iniziale (qui il video). 

Cannone di Gauss e palline del
pachinko: 1. La pallina di destra
viene lanciata verso le altre . Il
magnete è indicato dalla freccia
blu. 2. il magnete attira la pallina e
la accelera. 3. la pallina di destra
schizza via. 

 Utilizzando una semplice macchina fotografica è possibile stimare la velocità di questo “proiettile magnetico”: la velocità balza da 3 cm/s a 50 cm/s (i conti sono mostrati qui). Anche in questo caso l’energia del sistema si conserva: la pallina del pachinko è infatti accelerata grazie all'energia immagazzinata nel campo magnetico, che è più bassa dopo l'urto. Il neodimio (⁶⁰Nd) fa parte delle terre rare e in un composto con il ferro ed il boro è in grado di generare campi magnetici molto più intensi delle classiche calamite ferrose. 

Con l’aggiunta della calamita alle palline del pachinko abbiamo creato un semplice cannone di Gauss, un sistema che sfrutta i campi magnetici per accelerare un oggetto. Utilizzando gli elettromagneti è possibile creare cannoni di Gauss più potenti e versatili. Infatti utilizzando la corrente che scorre nei fili piuttosto che quella dei nuclei atomici  presenta due vantaggi: una zona cava in cui far passare  il carico da accelerare e la possibilità di governare l'accensione e lo spegnimento  dei vari moduli, realizzando un  sistema  a più stadi. 

Un grande cannone di Gauss potrebbe esser utilizzato per  per lanciare navicelle nello spazio con estrema efficienza e  costi estremamente ridotti. Purtroppo le accelerazioni in gioco sono troppo elevate per gli astronauti e rendono questo sistema più adatto ad lancio di cargo e materiale, o per l'uso come arma, dove si sta concentrando la maggior parte della ricerca e degli investimenti.

Configurazione dei magneti
per guidare il treno (alto)
e per tenerlo sollevato (basso).

I campi magnetici sono utilizzati con successo nei treni a levitazione magnetica. E' possibile creare una configurazione variabile di elettromagneti su cui il treno galleggia e scivola allo stesso tempo: senza ruote e binari l'attrito è molto ridotto ed è possibile raggiungere e superare velocità di 500km/h. Rimane l'aria a rallentare il treno: in un tunnel ideale in cui sia stato fatto il vuoto sarebbe possibile attraversare l'oceano atlantico in poche decine di minuti. Linee a levitazione magnetica sono state realizzate in vari paesi del mondo, con il primo servizio per passeggeri in funzione dall'aeroporto alla città di Shanghai. Altri dovrebbero entrare in funzione in Cina, Corea e Giappone nei prossimi anni. 

Schema del Lofstrom loop: un lungo
 cavo tenuto in piedi dalla
forza centrifuga generata dall'alta
velocità in cui scorre. Il cavo socrre
da ovest verso est, e compia
un ciclo completo tornando indietro
da est verso oves. 

Una ferrovia magnetica potrebbe essere utilizzata per lanciare carichi e persone nello spazio: il Lofstrom loop, dal nome del suo ideatore,  è una specie di lunga funivia senza piloni, tenuta in piedi dalla spinta centrifuga di un cavo che viene fatto circolare ad alta velocità all'interno di una guaina da cui è separato con campi magnetici. Le carrozze o cabine scorrerebbero - sempre sostenuti da campi magnetici - su questo cavo-binario lungo più di 2000km sino ad una altezza di più di 80km. Da lì si sganciano ed entrano in orbita  con dei propri piccoli propulsori. A differenza dell'ascensore orbitale, una struttura statica che  richiede lo sviluppo di materiali in grado di resistere a trazioni enormi, il Lofstrom loop è realizzabile con la tecnologia a nostra disposizione e consenitrebbe di ridurre enormemente i costi di lancio nello spazio.

Putroppo, in assenza di spinte economiche che consentano la realizzazione di queste strutture, per raggiungere il cosmo siamo costretti a ricorrere ai razzi convenzionali. Confrontando le immagini 1 e 4 della figura in alto è possibile vedere che l'urto non ha solo lanciato la pallina verso sinistra, ma anche spostato le altre verso destra. Ciò è dovuto al principio di azione e reazione  (che verrà trattato nel prossimo post) alla base di tutti i sistemi di lancio spaziale e di tutti - o quasi - i mezzi di trasporto sulla Terra.



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