Il flusso di fotoni e le particelle cariche provenienti dal Sole possono spingerci nei futuri viaggi spaziali
Il vento solare è un flusso di fotoni e particelle cariche emesso continuamente dal Sole in tutte le direzioni e che si diffonde attraverso il Sistema Solare. Le particelle sono soprattutto elettroni e protoni che vengono accelerati dall’alta temperatura della corona solare. Oltre alle aurore boreali, che sono prodotte dall’interazione con l’alta atmosfera terrestre, il vento solare può mettere in movimento satelliti artificiali dotati di speciali vele.
Vento di fotoni e particelle
Predetto nel 1958 dal fisico Eugene Parker, l’esistenza del vento solare venne confermata dalla sonda Mariner 2 (Nasa) nel 1962. Si calcola che ogni secondo il Sole perda circa 800 milioni di kg sotto forma di vento solare. L’urto di queste particelle su delle superfici può produrre una spinta che può essere sfruttata per spostarsi nello spazio in una direzione voluta proprio come le vele di una barca. Utilizzare il vento solare per spostare le sonde spaziali rappresenta una nuova forma di propulsione che sfrutta la pressione di radiazione. Questa idea innovativa rappresenta una sfida per diversi ambiti scientifici e tecnologici e un’opportunità per tutta la filiera dell’industria aerospaziale.
La propulsione tradizionale e quella fotonica
I razzi utilizzati per lanciare in orbita i veicoli spaziali possono arrivare a pesare centinaia di 
tonnellate, dei quali buona parte è costituita dal combustibile. Anche parte della massa della sonda è costituita dal combustibile necessario a correggerne l’assetto. La messa in orbita dalla Terra di satelliti e sonde non può essere effettuata con la propulsione fotonica. Tuttavia, una volta che la sonda è nello spazio, questa può essere spinta dalla sola luce del Sole senza la necessità di avere carburante a bordo. La propulsione fotonica comporta un cambio di mentalità. Alla spinta potentissima e per un tempo breve si sostituisce la spinta piccolissima della luce solare per un periodo paragonabile alla durata della missione.
Sistema di propulsione alternativo per il risparmio di carburante
La prima dimostrazione concreta delle vele solari si è avuta nel 2010, quando l’Agenzia spaziale giapponese (JAXA) è riuscita a portare in orbita terrestre IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun). La vela solare di cui era dotato misurava 200 m2, ed è stata dispiegata con successo. Sono anche state effettuate le manovre necessarie per metterla su una traiettoria verso Venere. IKAROS ha dimostrato che si può considerare concreta la possibilità della propulsione solare fotonica in una missione spaziale.
Attualmente il meccanismo della vela solare viene utilizzato occasionalmente in combinazione con i sistemi di propulsione ordinari. Ciò consente di risparmiare del carburante che altrimenti sarebbe destinato per le correzioni dell’assetto e le modificazioni dell’orbita. Ad esempio, il satellite geostazionario per le telecomunicazioni EUROSTAR E 3000 della Eads Astrium usa delle vele solari. L’utilizzo è limitato all’aumento del momento angolare che consente comunque un risparmio di carburante.
Le nuove tecnologie per la realizzazione delle vele
Un veicolo spaziale spinto dalla luce del Sole deve avere una grande vela riflettente. Da un 
punto di vista tecnologico viene realizzata con una membrana polimerica, sulla quale è depositato uno strato di alluminio di spessore dell’ordine di 80-100 nm. La sfida che renderà possibili le future missioni risiede nella sintesi di nuovi polimeri con spessore sempre più piccolo, con un carico di rottura sempre maggiore e che non si degradino per effetto della radiazione UV. L’impacchettamento a terra e il dispiegamento della vela nello spazio sono punti cruciali per questo sistema propulsivo.
Alla vela devono essere quindi aggiunte delle strutture che non comportino un aumento significativo della massa totale. Una soluzione potrebbe essere nell’utilizzo di fili o membrane polimeriche a memoria di forma in grado di riprendere la forma iniziale. La propulsione fotonica impone di usare poca massa e sfruttare poca energia, un punto di vista simile alla richiesta di sostenibilità che si deve realizzare in ambito terreste.
I programmi delle Agenzie spaziali
Fino ad oggi, la propulsione spaziale è stata dominata dalla chimica ed elettrica mentre la solare fotonica viene ancora considerata una tecnologia prematura. Tuttavia, grazie al successo di IKAROS, c’è un rinnovato interesse nello sviluppo delle vele solari fotoniche da 
parte delle maggiori Agenzie Spaziali. La Nasa ha ripreso con maggior vigore a destinare risorse a questo settore. Le missioni NEA Scout (Near Earth Asteroid Scout) e soprattutto ACS3 (Advanced Composite Solar Sail System) sono due esempi importanti. In questa direzione, l’Agenzia spaziale italiana (Asi) sta incoraggiando e supportando attività di ricerca su nuovi sistemi di propulsione spaziale consentendo che si sviluppi in Italia tale tecnologia. La ricerca sullo sviluppo della propulsione a fotoni solari nella Penisola ha inizio grazie a Giovanni Vulpetti membro dell’International Academy of Astronautics (IAA) e del professor Gregory Matloff del New York City College of Technology.
Le missioni a propulsione fotonica
Attualmente, la ricerca in Italia in questo ambito viene svolta principalmente a livello accademico mentre nel prossimo futuro ci si aspetta un coinvolgimento delle imprese. Dall’integrazione tra ricerca pubblica e privata si potrebbero avere dei benefici nella progettazione di sottosistemi satellitari più leggeri, compatti e la realizzazione di materiali resistenti, leggeri e multifunzionali. Tali tecnologie possono avere un impatto positivo nello sviluppo di satelliti di nuova generazione di cui i micro e nano satelliti. Di conseguenza, la propulsione solare può essere uno dei vettori per tecnologie originali utilizzabili in accordo con le sempre più pressanti esigenze di risparmio energetico e sostenibilità nell’uso delle risorse.
Nicola Sparvieri
Foto © Futuro Prossimo, YACT, HDblog, Globe Today’s,
