Viaggiare a velocità prossime a quelle della luce: il Ramjet di Bussard

Il sogno di viaggiare su distanze interstellari, magari con astronavi generazionali o dotate di una tecnologia per l'animazione sospesa, risiede nella possibilità di realizzare sistemi di propulsione in grado di accelerare costantemente. Il Ramjet di Bussard, ancorché ancora lontano tecnologicamente, offrirebbe una possibilità del genere

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ramjet di Bussard

Nel 1960 il fisico Robert W. Bussard propose un metodo di propulsione spaziale, che conosciamo oggi grazie anche alla serie televisiva “Cosmos” del grande astronomo Carl Sagan, noto come “Ramjet di Bussard” che era un missile a fusione nucleare in grado teoricamente di raggiungere alte velocità in un ipotetico volo interstellare.

Il Ramjet sarebbe stato dotato di una sorta di imbuto con un diametro nell’ordine di chilometri capace di intercettare e comprimere l’idrogeno presente nel mezzo interstellare e utilizzarlo per la propulsione.

Il progetto Ramjet potrebbe, in linea teorica, accelerare indefinitamente un veicolo fino a quando il suo propulsore è in grado di funzionare e, teoricamente, accelerarlo vicino alla velocità della luce. Il tempo totale che occorrerebbe a una nave dotata di Ramjet per arrivare a una determinata frazione della velocità della luce dipende dal rapporto spinta/massa del veicolo stesso. Ad esempio, un ramjet che accelera di 10 m/sec, un’accelerazione leggermente più alta di quella che sperimentiamo sulla Terra, potrebbe arrivare al 77% della velocità della luce in un anno.

Il propellente raccolto durante la marcia del veicolo può essere usato come massa di reazione in un motore a razzo al plasma, motore a razzo a ioni o anche in un motore a razzo alimentato dall’annichilazione della materia con l’antimateria.
Lo spazio interstellare contiene in media 10 alla -21 kg di massa per metro cubo. Ciò significa che lo l’imbuto del ramjet deve spazzare 10 alla 18 metri cubi di spazio per raccogliere un grammo di ioni al secondo.

Un’enorme fonte di energia aggiunge più massa al sistema ramjet e questo renderebbe più difficile accelerare il ramjet. Pertanto, la potenza specifica della fonte di energia del ramjet è cruciale. La potenza specifica è il numero di joule che il reattore dell’astronave genera per chilogrammo della sua massa. Ciò dipende dalla densità di energia del combustibile ramjet e dalla progettazione specifica dei reattori nucleari ramjets.
La fonte di combustibile proposta da Bussard, è la fusione dell’idrogeno, essendo tale elemento il componente più comune del gas interstellare.

Tuttavia un ramjet interstellare potrebbe essere più facilmente alimentato da altre reazioni nucleari. La fusione del protone basata sulla sequenza di fusione P + P + P + P non è stata raggiunta nei reattori attuali e potrebbe essere ancora più difficile in un ramjet interstellare.

Un reattore a fusione usato per alimentare una nave stellare ramjet potrebbe essere un reattore a fusione magnetica allo stato stazionario basato sulle seguenti reazioni di fusione nucleare: 2H +2H che da 3 He + 1 n 0 + 18 meV, oppure 2 H + 3 H ?4 He + 1 n 0 + 20 meV.

Si Potrebbe anche optare per un reattore a fusione di confinamento inerziale in cui granuli di litio 6 o deuteride di litio 7 subiscono l’implosione di radiazioni Teller-Ulam da raggi laser ad alta energia, raggi di maser o protoni o antiprotoni. Ciò riscalda e comprime il pellet del combustibile da fusione fino a quando la sua temperatura non supera i 100.000.000 di gradi Celsius e aumenta la densità del plasma di fusione fino a 30 volte. Ciò accenderà la fusione nucleare nel pellet del combustibile di fusione.

La massa del raccoglitore a ioni deve essere ridotta al minimo su un ramjet interstellare. Ciò si ottiene meglio usando un campo elettromagnetico o, in alternativa, usando un campo elettrostatico per costruire il captatore di ioni. Un tale captatore di ioni utilizzerà imbuti elettromagnetici o campi elettrostatici per raccogliere idrogeno gassoso dallo spazio per usarlo come propellente nei sistemi di propulsione ramjet.

Un campo elettrico può attrarre elettrostaticamente gli ioni positivi e quindi trascinarli all’interno di un motore ramjet. L’imbuto elettromagnetico piegherebbe gli ioni in spirali elicoidali attorno alle linee del campo magnetico per raccogliere gli ioni durante il movimento dell’astronave attraverso lo spazio.

Un generatore magnetoidrodinamico che trae energia dallo scarico potrebbe alimentare il captatore a imbuto.
Il raggio di raccolta di un simile imbuto magnetico è la distanza in metri dal ramjet a cui il campo elettrico dell’imbuto magnetico è maggiore del campo elettrico galattico di 1,6 × 10 -19 volt, oppure il campo elettromagnetico dell’imbuto magnetico è maggiore del campo magnetico galattico di 0,1 nanotesla (1 × 10 -6 gauss). La forza del campo di raccolta di un imbuto magnetico diminuirebbe proporzionalmente a 1/d² di distanza dal generatore dell’imbuto magnetico.

Un veicolo spaziale da 1.000 tonnellate avrebbero bisogno di un’area di raccolta frontale di quasi 10.000 chilometri quadrati (Nelle nuvole interstellari dove la densità media è ~ 10 alla 2 Atomi di carbonio per centimetro cubo, uno imbuto di raccolta con un decimo di quest’area sarebbe sufficiente).

Anche supponendo una conoscenza della scienza dei materiali molto in anticipo rispetto alla nostra, sembra inconcepibile che un tale dispositivo possa essere costruito con una massa inferiore a quella prevista per l’intero veicolo. Una struttura di 10.000 chilometri quadrati fatta di Mylar dello spessore di 0,1 centimetri, per esempio, peserebbe circa 250.000 tonnellate.

Un modo per aggirare questo problema potrebbe essere quello di ionizzare l’idrogeno davanti al veicolo spaziale usando un potente raggio laser. Gli ioni idrogeno possono quindi essere attratti da un collettore Bussard relativamente piccolo che genera un potente campo magnetico. Poiché il processo di raccolta è elettromagnetico piuttosto che meccanico, la paletta non deve essere solida (può essere una maglia) né deve essere irrealisticamente ampia, perché il campo può essere organizzato in modo da estendersi ben oltre la struttura fisica del dispositivo.

Tuttavia, permangono difficoltà alla realizzazione pratica di un ramjet. Una è l’enorme potenza necessaria per generare il campo magnetico del collettore Bussard e far funzionare il laser ionizzante. Un altro problema riguarda il modo in cui funziona la paletta.

Man mano che le linee del campo magnetico convergono all’imbuto di ingresso, tenderanno a rimbalzare via le particelle cariche in entrata anziché attirarle. In effetti il dispositivo si comporterà come una bottiglia magnetica, intrappolando il materiale in un ampio cono di fronte al veicolo e impedendo che venga iniettato al suo interno e utilizzato come combustibile.

Una soluzione potrebbe essere quella di pulsare il campo magnetico, ma l’implementazione non sarebbe facile. Infine, il ramjet di Bussard funziona solo quando il veicolo si muove abbastanza velocemente da raccogliere la massa interstellare in quantità utilizzabili. Pertanto è necessario un sistema di propulsione secondario per potenziare l’astronave fino a questa velocità critica, circa il 6% della velocità della luce.

Fonte: hyperspace.fandom.com; daviddarling.info; Wikipedia