La propulsione ad antimateria

Breve carrellata sui imiti, al momento insuperabili, per la progettazione di astronavi con propulsione ad antimateria.

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Quando ci poniamo di fronte all’esplorazione spaziale umana i nodi da sciogliere sono numerosi e le problematiche tecnologiche e fisiche al momento insormontabili.

Uno dei problemi fondamentali è quale propulsione utilizzare per il nostro ipotetico vascello spaziale. Come sappiamo, le distanze cosmologiche sono sterminate, anche semplicemente raggiungere i confini del Sistema Solare con i motori convenzionali richiederebbe un tempo inaccettabile per un equipaggio umano.

L’unico modo per rendere praticabile un’esplorazione spaziale con esseri umani a bordo è raggiungere velocità relativistiche che grazie alla dilatazione temporale prevista dalla teoria della relatività permetterebbe all’equipaggio di compiere la propria missione (se non si è troppo ambiziosi) all’interno della propria esistenza.

Una delle possibili soluzioni è dotare l’astronave di una propulsione ad antimateria. Il nostro universo si è generato nel momento in cui si è rotta la perfetta simmetria tra materia ed antimateria. Una minuscola eccedenza di materia ha interrotto la completa annichilazione tra materia ed antimateria, permettendo la nascita di tutto quello che compone il nostro universo: stelle, galassie, pianeti ed in definitiva noi stessi.

Sappiamo che un grammo di antimateria (come del resto un grammo di materia) se convertito in energia ne genera una quantità immensa, pari ad un’esplosione termonucleare.

L’annichilazione di un grammo di materia con uno di antimateria produce un’energia ancora più spaventosa. Per avere un’idea delle forze in gioco La reazione di 1 kg di antimateria con 1 kg di materia produce 1,8×1017 J di energia (in base all’equazione E=mc²). Per contro, bruciare 1 kg di petrolio fornisce 4,2×107 J, mentre dalla fusione nucleare di 1 kg di idrogeno si otterrebbero 2,6×1015 J.

In altre parole, l’annichilazione della materia con l’antimateria produce circa 70 volte l’energia prodotta dalla fusione nucleare dell’idrogeno in elio e quattro miliardi di volte l’energia prodotta dalla combustione del petrolio.

Di antimateria in natura, però, ne esiste ormai pochina e non è facilmente catturabile e quindi necessario produrla, cosa che avviene per infinitesimali quantità nei grandi acceleratori di particelle come il Fermilab o al CERN di Ginevra.

Al CERN si è riusciti finora a produrre qualche centinaio di atomi di antimateria di energia relativamente bassa e confinarli per qualche tempo dentro trappole elettromagnetiche.

Abbiamo osservato che dall’annichilazione materia/antimateria si ha una quasi totale conversione della massa in energia, attraverso un procedimento molto efficiente. Il problema sta a monte, quanta energia convenzionale (generalmente quella elettrica) serve per la produzione di una data quantità di antimateria che a sua volta deve essere stoccata per un successivo uso, ad esempio come propellente per un’astronave.

Per la realizzazione di motori specifici per l’esplorazione spaziale servirebbero diversi grammi di antimateria, un’ordine di grandezza enormemente superiore a quanto si è prodotto fino ad oggi.

Il CERN con le sue attuali infrastrutture dovrebbe far funzionare la sua Antimatter Factory per circa un miliardo di anni per produrre un solo grammo di antimateria. Se anche immaginassimo innovazioni tecnologiche tali da abbattere questo tempo immenso, l’energia convenzionale richiesta per produrre un paio di grammi di antiprotoni per anno equivarrebbe ad  un consumo totale di energia corrispondente a circa 50 miliardi di watt, pari alla produzione di energia di tutte le centrali nucleari americane.

Per complicarci le cose sarebbe poi necessario sviluppare trappole elettromagnetiche efficienti, sicure e trasportabili, indispensabili per immagazzinare l’antimateria prodotta e rilasciarla attraverso un processo controllato per la sua annichilazione nell’ipotetico propulsore della nostra astronave.

La progettazione di motori ad antimateria è, inoltre, attualmente irrisolta sia per l’impossibilità di produrne i quantitativi necessari, sia per le complicazioni che porterebbe ad un equipaggio umano ad esempio la radioattività indotta.

Rimane il fatto che questa propulsione, se fosse tecnicamente possibile, permetterebbe ad un’astronave di mantenere accelerazioni elevate per periodi molto lunghi, con velocità finali prossime a quelle della luce e quindi considerevoli effetti relativistici.