L'ascensore spaziale e altri sogni

Lo spazio può diventare la prossima frontiera dell'umanità, la prossima occasione di crescita economica e sociale. Non però alle condizioni attuali e sopratutto ai costi attuali. Mandare su Marte un robot che sferraglia nella polvere fotografando primi piani di rocce, può essere una grande conquista scientifica, ma al costo di milioni e milioni di dollari, lo possono fare solo la Nasa e l'Esa incidendo sui debiti pubblici di Usa ed Europa.

In attesa che si arrivi a maneggiare forze nuove come quella gravitazionale, che permetteranno di modificare la struttura dello spazio-tempo, o della "grana" quanto-meccanica dell'universo, permettendoci di arrivare alle stelle più vicine e oltre, si devono trovare modalità per raggiungere lo spazio, che siano più economiche di quelle fornite dai razzi a propellente chimico. Si tratta di passare dai "velieri" ai "jumbo-jet" per fare un paragone con i viaggi trans-oceanici. Ma nell'attesa di arrivarci, stendere una lunga fune fra le due sponde dell'oceano può essere un modo per ridurre i costi.

In questa prospettiva si pone l'antica idea dell'ascensore spaziale. Un'idea ripresa l'anno scorso da Sergey Brin di Google, l'ideatore degli occhiali interattivi che saranno fra poco in commercio (Project Glass).
I creativi di Google, attraverso il "X Lab", stanno riproponendo questo vecchio sogno fantascientifico. Un ascensore per raggiungere lo spazio e mettere in orbita più facilmente oggetti e persone.

Sempre più le aziende nate in internet, diventano grandi sponsor per imprese innovative nel mondo reale. Per esempio il creatore di PayPal, Elon Musk è diventato anche imprenditore spaziale, realizzando i nuovi razzi della SpaceX per la Nasa.

Altre notizie pervenute in questi mesi, ci informano dell'interesse di due aziende americane, non si sa fino a che punto realistico, per sfruttare gli asteroidi a fini estrattivi. Secondo alcuni osservatori, ai costi attuali, non sarebbe conveniente né estrarre oro, né platino, né altre terre rare. Un ascensore spaziale potrebbe rendere economicamente convenienti operazioni di questo genere. Infatti non faciliterebbe solo lo spostamento di satelliti e astronauti nello spazio, ma anche la discesa di materie prime estratte da altri pianeti e asteroidi. Oggi queste considerazioni paiono fantascienza, ma è ovvio che con il continuo esaurimento delle ricchezze naturali della Terra, prima o poi ci si dovrà rivolgere all'esterno.

"I prodromi di quello che può essere considerato un ascensore spaziale risalgono al 1894: in tale data, il fisico e scienziato russo Konstantin Ciolkovskij, insegnante a San Pietroburgo, nel suo saggio dal sapore fantascientifico Sogni sulla Terra e sul cielo si ispirò alla Torre Eiffel per ipotizzare un'analoga struttura a base molto larga capace di raggiungere il limite dell'orbita geostazionaria;

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Lo stesso Cjolkovskij, tuttavia, che aveva calcolato diverse variabili gravitazionali ... riconobbe come fisicamente irrealizzabile una torre come quella che aveva teorizzato nella sua opera: in effetti un qualsiasi manufatto capace di raggiungere l'altezza di circa 36 000 km dovrebbe anche prevedere un diametro di base dell'ordine delle decine, se non delle centinaia, di km; ... è altamente probabile, non esistendo allo stato attuale alcun materiale con una resistenza alla compressione atto a sostenere una struttura del genere, che essa collasserebbe sotto il suo stesso peso.

Nel 1957 uno scienziato sovietico, Yuri Artsutanov, concepì un metodo più realistico per costruire una torre spaziale. Artsutanov suggerì di utilizzare un satellite geosincrono come base dalla quale costruire la torre. Utilizzando un contrappeso, un cavo sarebbe stato abbassato dall'orbita geostazionaria fino alla superficie della Terra mentre il contrappeso veniva esteso dal satellite allontanandolo dalla Terra, mantenendo il centro di massa del cavo immobile rispetto alla Terra. Artsutanov pubblicò la sua idea nel supplemento domenicale della Komsomolskaja Pravda nel 1960.

Produrre un cavo lungo oltre 35.000 km è tuttavia un'impresa non facile. Nel 1966 quattro ingegneri statunitensi proposero uno studio sul tipo di materiale adatto per costruire un cavo portante, presumendo che la sua sezione fosse uniforme su tutto il percorso. Essi trovarono che il carico di rottura necessario avrebbe dovuto essere il doppio di quello di qualunque materiale esistente, inclusi grafite, quarzo e diamante."
(it.wikipedia.org)

Le difficoltà non mancano anche se probabilmente oggi potrebbero essere superate con nuovi materiali compositi:

"Lo scienziato americano Bradley Edwards ha suggerito la creazione di un nastro sottile come la carta e lungo 100.000 km, che avrebbe una possibilità maggiore di resistere all'impatto con delle meteoriti. Il lavoro di Edwards si è espanso fino a prevedere lo scenario della costruzione, il progetto del climber (l'unità che si arrampica lungo il cavo), il sistema di trasmissione dell'energia, il metodo per evitare i detriti orbitali, il sistema di ancoraggio a terra, la resistenza all'ossigeno atomico, come evitare i lampi e gli uragani posizionando la piattaforma di ancoraggio nel Pacifico Equatoriale occidentale, i costi di costruzione, la tabella di costruzione e i pericoli per l'ambiente. Sono stati fatti piani per completare la progettazione ingegneristica, per lo sviluppo dei materiali e per iniziare la costruzione del primo ascensore.
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Il più grande impedimento tecnologico al progetto proposto da Edwards è il limite imposto dal materiale di cui sarebbe formato il cavo. I suoi calcoli richiederebbero una fibra composta da nanotubi di carbonio legati da una resina epossidica, con un carico di rottura minimo pari a 130 GPa (ndr GigaPascal = 1 miliardo di Newton al metro quadrato = circa 100 milioni di chili al metro quadrato); comunque, test condotti nel 2000 su nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) - che dovrebbero essere notevolmente più resistenti della corda legata con la resina epossidica - indicano che la massima resistenza realmente misurata in laboratorio è pari a 63 GPa, equivalente circa alla trazione di 6300 kg (in peso) per millimetro quadrato di sezione."(it.wikipedia.org)

Per il momento quindi i materiali a disposizione, o perlomeno sperimentali, non sono ancora all'altezza di una tale opera. Ma questi potrebbero già essere utilizzati per facilitare la discesa e la salita da corpi celesti con gravità inferiore:

"Un cavo Marziano potrebbe essere molto più corto rispetto a quello terrestre. La gravità di Marte è il 40 % della gravità terrestre, mentre la sua rotazione intorno al suo asse avviene all'incirca nello stesso periodo di tempo. A causa di ciò, l'orbita geostazionaria marziana è molto più vicina alla superficie, e quindi l'ascensore sarebbe molto più corto.

Un ascensore lunare non sarebbe così fortunato. Dato che la rotazione della Luna mantiene sempre la stessa faccia verso la Terra, il centro di gravità del cavo dovrebbe essere ai punti di Lagrange L1 o L2, che sono punti di stabilità speciali, che esistono tra ogni coppia di corpi in un'orbita, dove le forze gravitazionali e rotatorie si bilanciano. Il cavo punterebbe o in direzione della Terra (per il punto L1), oppure nella direzione opposta alla Terra (per il punto L2). Comunque, a causa della bassa gravità lunare, la massa totale del cavo sarebbe notevolmente inferiore a quella dell'ascensore terrestre, dato che sarebbe necessario meno materiale per fornire la resistenza necessaria a supportare il cavo stesso contro la gravità lunare. Senza un contrappeso il cavo "L1" dovrebbe essere lungo 291.901 km .... Considerando che la distanza tra la Terra e la Luna è di 351.000 km, questo è un cavo molto lungo. Cavi molto più corti, forse non più del doppio della lunghezza della distanza di circa 60.000 km per i punti L1 o L2 del sistema Terra Luna sarebbero sufficienti se un grosso contrappeso, ... fosse piazzato all'estremità del cavo."
(it.wikipedia.org)

Ma risolti i problemi tecnici, che non si limitano solo al cavo, ma anche alla tipologia di navette arrampicatrici (i climber) lungo il cavo, al modo di fornire energia a queste "cabine", alle deformazioni dinamiche prodotte dalle navette che salgono e scendono lungo il cavo ecc. i risultati in termini economici dovrebbero essere notevoli:

"Con ascensori spaziali come questo, i materiali potrebbero essere inviati in orbita ad una frazione del costo attuale. Il costo per raggiungere l'orbita geostazionaria è tra i 10.000 $/kg e i 40.000$/kg attualmente. 

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Per un ascensore spaziale, ... Utilizzando le specifiche del progetto elaborate dal Dr. Bradley Edwards, "il primo ascensore spaziale ridurrebbe i costi di lancio immediatamente a 100 $/lb" (220 $/kg). I costi di sviluppo potrebbero essere più o meno equivalenti, in dollari attuali, ai costi necessari per sviluppare il sistema Shuttle. I costi marginali di un viaggio consisterebbero solamente nell'elettricità richiesta per sollevare il carico dell'ascensore, la manutenzione e, in un progetto solo per carichi ascendenti (come quello di Edwards), il costo dell'ascensore. Il costo dell'elettricità, dati gli attuali costi della rete elettrica e l'attuale efficienza di laser e pannelli solari (1 %) è di 32 $/kg. In aggiunta, potrebbe essere possibile recuperare una parte del costo dell'energia utilizzando degli ascensori che permettano la discesa dei climbers, che genererebbero energia frenando la discesa ..."

Per non appesantire il cavo con strutture che trasportano energia elettrica, la Nasa pensa di fornire energia alla navetta climber attraverso un laser a terra, le cui onde elettromagnetiche verrebbero assorbite da un pannello fotovoltaico speciale a bordo del climber.

Che il progetto cominci a transitare dalla letteratura di genere (Le fontane del paradiso, 1979, A. C. Clarke) ai laboratori e studi di ingegneria è palesato dal fatto che anche altri se ne stanno interessando:

"La società di costruzione nipponica Obayashi è intenzionata a costruire un ascensore spaziale in Giappone entro il 2050? Questo fantascientifico mezzo di trasporto dovrebbe permettere di trasportare le persone dalla terra fino a una stazione spaziale posta a un decimo della distanza dalla luna. L'ascensore utilizzerà nanotubi di carbonio super-resistenti per le cablature e secondo Obayashi sarà già pronto nel 2050. Il tutto sarà lungo quasi 100.000 chilometri, circa un quarto della distanza dalla luna, e sarà attaccato alla Terra in uno spazioporto ancorato sul fondale oceanico. All'altro capo invece sarà posto un contrappeso, nel bel mezzo dello spazio. L'ascensore viaggerà a una velocità di circa 200 km/h, con buone probabilità alimentato da motori magnetici lineari.
Ciononostante impiegherà circa una settimana per raggiungere la stazione e potrà ospitare un massimo di 30 persone.

In cima, la stazione spaziale avrà a disposizione strutture necessarie all'abitazione e diversi tipi di laboratorio. L'energia elettrica sarà invece generata da pannelli fotovoltaici che produrranno corrente a sufficienza da lasciarne un quantitativo utilizzabile anche sulla Terra.
Già la NASA aveva fatti degli studi sugli ascensori spaziali, assegnando nel 2009 circa 900.000$ a LaserMotive, affinché sviluppasse un ascensore robotizzato alimentato da laser. Ma, nonostante un ascensore spaziale ridurrebbe significativamente i costi relativi a tutte le missioni spaziali, comparandoli a quelli del lancio in orbita di un razzo; l'infrastruttura, a giudicare dagli enormi ostacoli tecnologici che tira in gioco, andrebbe probabilmente a costare diverse miliardi di dollari per essere costruita.

Riportando le parole di un responsabile della Obayashi: "al momento non possiamo stimare il costo del progetto, tuttavia cercheremo di fare costantemente dei progressi, in modo che il progetto non finisca semplicemente tra i sogni nel cassetto."
www.brucialanotizia.it
www.obayashi.co.jp (in giapponese, attivare traduzione in google)

Altri stanno facendo studi su ascensori spaziali meno pretenziosi, come questo di un ascensore lunare: liftport.com

"Il Deep Space Tether Pathfinder (DSTP) è un cavo rotante di 5000 km, del peso di due tonnellate, da inviare nello spazio profondo per testare la progettazione di un LSE o MSE. Come prova della capacità degli ascensori spaziali per riportare campioni dalla superficie, la rotazione del DSTP verrebbe utilizzato per abbinare la velocità relativa tra un vertice e la Luna durante un passaggio ravvicinato, consentendo la raccolta di un campione di superficie in un "touch-and-go" affascinante di un obiettivo adatto alla ricerca scientifica, come il fondo del cratere Shackleton nella regione lunare Sud Polare. Il campione raccolto potrebbe poi essere riportati sulla Terra dal rilascio di una capsula di ritorno più tardi, dopo circa una mezza rotazione, quando il vertice dell'ascensore è diretto verso la Terra per una traiettoria ritorno diretto. 

Il Lunar Space Elevator Infrastructure (LSEI), un seguito al DSTP, è un cavo molto più lungo che si estende dalla superficie lunare, al punto punto di Lagrange (EML 1) verso la Terra. Il prototipo LSEI, che richiede un lancio di un veicolo per carichi pesanti, sarebbe in grado di sollevare circa 1 tonnellata di campioni lunari all'anno, e distribuire una quantità simile di materiale sulla superficie lunare. Il LSEI migliorerebbe significativamente la capacità di abitare lo spazio profondo con DSH (Deep Space Habitat) al punto EML1, per una piccola frazione del costo totale di un DSH permetterebbe in loco la ricerca di laboratorio dei campioni lunari, nonché il supporto robotico per esplorazione della superficie."

liftport.com

Il progetto dell'ascensore spaziale non è l'unico alternativo ai razzi tradizionali. E' quello che però permette un  miglior riutilizzo del materiale spaziale, e quindi in termini economici, consente di ammortare in modo più rapido e più a lungo nel tempo l'investimento iniziale.

Un'altro sistema alternativo potrebbe essere quello delle slitte elettromagnetiche.

"L’agenzia spaziale statunitense sta studiando un nuovo veicolo in grado di essere lanciato orizzontalmente con una catapulta magnetica per posizionare in orbita, a costi più contenuti degli attuali lanciatori, piccoli carichi paganti. L’aereo, di forma cuneiforme, verrebbe lanciato in volo lungo un binario elettrico accelerato da un motore lineare (o spinto a bordo di una slitta a gas, o secondo il principio della levitazione magnetica, gli studi si sviluppano a tutto campo), dopodichè, sostenuto dai motori scramjet a Mach 10, raggiungerebbe gli strati superiori dell’atmosfera per lanciare in orbita con una capsula autopropulsa, simile al secondo stadio di un missile, il carico utile. L’aereo, terminata questa fase, rientrerebbe alla base atterrando sulla pista del sito di lancio.

Il progetto prevede una rotaia lunga circa 3 chilometri, che si svilupperebbe parallela lungo la zona d’accesso alla piattaforma di lancio 39A, e capace di accelerare l’aereo almeno fino a 1.000 km/h."
(www.difesanews.it)

Si tratta di sistemi a metà strada tra il cannone di Jules Verne, che sparava gli astronauti sulla luna dentro un proiettile, e il classico razzo. Alcuni in realtà pensano a strutture molto più lunghe di tre chilometri, che sviluppandosi su alte montagne, potrebbero catapultare una navetta direttamente nello spazio.

"I razzi utilizzati per mandare in orbita veicoli spaziali, è il metodo meno adatto e più costoso, perché al decollo, la maggior parte del peso è costituito dal propellente. Il costo attuale per mandare un chilogrammo in orbita terrestre è di circa 10 mila dollari, mentre per un lancio con equipaggio il prezzo sale a 100 mila dollari per chilogrammo di passeggero.

Stiamo usando i razzi perché non si dispone ancora di un ascensore spaziale! La soluzione alternativa? Il Progetto di lancio Startram proposto da Gorge Maise e James Powell, inventore con Gordon Danby, del treno a levitazione magnetica Maglev, utilizzati in Cina e in Giappone, si basa appunto su questa tecnologia esistente del superconduttore Maglev. Insomma, una catapulta elettromagnetica.

Il progetto di prima generazione prevede un tubo sottovuoto costruito sul fianco di una montagna, per effettuare il lancio. Fa pensare al cannone gigante di Georges Méliès nel suo film Viaggio nella Luna del 1902. Ma l’accelerazione sarebbe troppo forte per un essere umano. Entra allora in ballo il progetto di seconda generazione (foto), un tubo sempre sottovuoto elevato ad un’altitudine di 20 km, grazie ad un supporto a levitazione magnetica, e mantenuti al suolo da cavi metallici. Costo previsto: 60 miliardi di dollari, inferiore comunque ai 170 miliardi spesi per il programma Space Shuttle. Perché allora investire in un progetto così enorme? Il costo per mandare 1 Kg in orbita scenderebbe così a 40 dollari (250 volte inferiore al costo attuale). “Il treno spaziale magnetico Startram dovrebbe inaugurare una 'nuova era' per l'umanità, inviando 4 milioni di persone all'anno in orbita entro il 2032” sostengono i progettisti. Per gli scienziati della NASA, il progetto è fattibile."
(www.futurix.it)

Né l'ascensore spaziale, né la catapulta elettromagnetica alta 20 Km sono uno scherzo: prevedono investimenti decisamente importanti. Sarebbe comunque un investimento rivolto al futuro, non più solo all'esplorazione scientifica (comunque importante), e consentirebbe di iniziare lo sfruttamento commerciale dello spazio.

Sempre meglio che costruire l'inutile "Morte nera" di Guerra Stellari ("L'opera più costosa della Galassia").