All'interno di Starshot, l'audace piano per sparare a minuscole navi su Alpha Centauri

Fotografia di Philip Lubin che cammina sulla spiaggia Michelle Groskopf

Le conferenze sulle astronavi attirano una folla piena di speranza: ricercatori, inventori e hobbisti entusiasti dell'idea di costruire veicoli spaziali in grado di volare tra i sistemi stellari. L'eccitazione di questi incontri può far sembrare che tutto sia possibile, ma anche come se nulla lo fosse. Molti degli schemi proposti sono troppo vaghi e hanno quasi sempre troppe lacune tecnologiche da colmare.

Nel 2015, Philip Lubin, un cosmologo dell'Università della California, Santa Barbara, è salito sul palco del 100-Year Starship Symposium a Santa Clara. Ha delineato il suo piano per costruire un laser così potente da poter accelerare minuscoli veicoli spaziali al 20% della velocità della luce, portandoli ad Alpha Centauri in soli 20 anni. Potremmo diventare esploratori interstellari entro una singola generazione. Era piuttosto il gancio.

Questa storia faceva parte del nostro numero di luglio 2019

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Poiché Lubin è un eccellente oratore pubblico, e poiché le tecnologie sottostanti esistevano già e poiché la scienza era valida, è stato assalito dopo il discorso. Ha anche incontrato per la prima volta Pete Worden, un ex direttore della ricerca dell'Ames Research Center della NASA. Worden aveva recentemente assunto la guida delle Breakthrough Initiatives, un programma senza scopo di lucro finanziato dal miliardario russo della tecnologia Yuri Milner. Sei mesi dopo, il progetto di Lubin aveva un finanziamento di 100 milioni di dollari da Breakthrough e l'approvazione di Stephen Hawking, che lo definì il prossimo grande salto nel cosmo.

Starshot è semplice, almeno in teoria. Innanzitutto, costruisci un'enorme gamma di laser moderatamente potenti. Agganciali insieme, il cosiddetto phase lock, per creare un raggio singolo con un massimo di 100 gigawatt di potenza. Dirigi il raggio su vele luminose altamente riflettenti attaccate a veicoli spaziali che pesano meno di un grammo e già in orbita. Accendi il raggio per alcuni minuti e la pressione dei fotoni fa esplodere il veicolo spaziale a velocità relativistiche.

Al laboratorio di Lubin UC Santa Barbara, il gruppo di cosmologia sperimentale studia l'universo primordiale. La combinazione della ricerca di Lubin sull'energia diretta con altre passioni come la propulsione ha aiutato Starshot a svilupparsi. Sig.ra Tech / foto originali: Michelle Groskopf

Non solo una tale tecnologia potrebbe essere utilizzata per inviare sensori a un altro sistema stellare; potrebbe inviare navi più grandi sui pianeti e le lune vicine alla Terra. Immagina un pacco su Marte in pochi giorni o una missione con equipaggio su Marte in un mese. Starshot rimpicciolisce efficacemente il sistema solare e, in definitiva, la galassia.

È fantastico. E anche un sogno. O un passo di vendita. O un progetto a lungo termine e lontano che non può essere sostenuto abbastanza a lungo per le tecnologie inesistenti di cui ha bisogno per essere costruito.

Lubin è un giovane di 66 anni. Cammina veloce, i suoi capelli folti e la folta barba sono scuri. Quando sono andato a incontrarlo a Santa Barbara questo aprile, mi ha detto che era un ragazzo serio, disturbato dalla realtà del mondo. Ha cercato conforto in matematica e scienze perché le trovava belle. Amavo la scuola, spiega. Ho usato per studiare tutto il tempo. È stato come un ritiro per me: andare in bicicletta in biblioteca e divorare libri.

Anche così, non si aspettava di seguire un percorso accademico, non sembrava possibile. La sua famiglia apprezzava l'istruzione, ma suo padre lituano, che lavorava come postino, non si è mai nemmeno diplomato al liceo. Sua madre, nata in Russia, era una segretaria. Sono cresciuto con un'interiorizzazione che il college era per altre persone, dice. Dopo l'incoraggiamento di un consulente scolastico di Los Angeles, però, ha frequentato il community college; gli insegnanti lì lo hanno spinto a trasferirsi alla UC Berkeley. E lì, i suoi professori lo spinsero a iscriversi alla scuola di specializzazione. Alla fine è atterrato ad Harvard. Quando ci ripenso, dice, ero un vero idiota.

Oggi Lubin è un cosmologo. Per gran parte della sua carriera ha costruito apparecchiature per misurare la radiazione di fondo dell'universo, ma i suoi interessi scientifici e tecnici sono vari. Fu a una conferenza sulle tecnologie di difesa, parlando dell'uso dei laser per difendere la Terra dagli asteroidi e dalle comete in arrivo, che ebbe per la prima volta l'idea di Starshot.

Michelle Groskopf

Mi parla anche di un'altra ossessione: la propulsione. La maggior parte dei razzi oggi funziona a combustibile liquido, proprio come quando la Germania inventò il V2 durante la seconda guerra mondiale. Gli ultimi 75 anni nell'informatica, in confronto, hanno prodotto un aumento della velocità di un trilione di volte. Non sarebbe bello se la propulsione potesse avanzare in quel modo? dice Lubin. L'SLS, il razzo super pesante della NASA, che è già costato 12 miliardi di dollari e non è ancora pronto, potrebbe costare meno di un centesimo.

I laboratori di Lubin alla UC Santa Barbara dispongono di un magazzino disordinato che sembra tipico delle configurazioni di fisica sperimentale: bobine giganti di fibra ottica, rack di oscilloscopi, cassette degli attrezzi, circuiti stampati. Un armadietto per i solventi, un altro per gli snack.

Mentre attraversiamo i laboratori, è pronto a riconoscere che Starshot deve ancora affrontare molte sfide. Ad esempio, non esiste un laser abbastanza potente per eseguire questo tipo di brillamento. Non ci sono vele leggere che potrebbero prendere un tale raggio senza essere cancellate. Non ci sono veicoli spaziali di dimensioni inferiori a un grammo per fare il viaggio e rimangono domande sulla fornitura del laser e sulla posizione del laser. E poi ci sono le implicazioni etiche e geopolitiche della costruzione di una fonte di energia diretta così potente. Dopotutto, potrebbe anche essere un'arma.

Alla lavagna, il ricercatore post-dottorato Peter Krogan inizia a guidarmi attraverso le soluzioni a questi problemi. Primo: costruire l'array laser.

Michelle Groskopf

La sfida qui è capire come fissare la frequenza di miliardi di laser, ogni 10 centimetri di diametro, e stabilizzarli in modo che possano essere combinati in un unico grande raggio. Il blocco di più raggi insieme consente di aumentare la potenza del laser fino ai livelli proposti. L'attuale piano di lavoro del team è per un array posizionato a terra, che mantiene i costi inferiori rispetto a se fosse posizionato in orbita ma aggiunge altre complicazioni, come il superamento dell'interferenza atmosferica. Ciò richiede un faro collegato all'astronave che invii un segnale attraverso l'atmosfera, lasciando che i laser a terra si fissino sul loro bersaglio. Per accoppiare l'array, Krogan sta lavorando sul blocco di fase nidificato, in cui un array più piccolo si sincronizza prima di eseguire il seeding del livello successivo nell'array, e così via. Se questo può funzionare per due strati di laser, il loro obiettivo di ricerca immediato, allora potrebbe essere possibile farlo per i cinque strati che secondo le simulazioni sono i migliori per un raggio da 100 gigawatt.

La seconda grande sfida è la vela solare. Sebbene il concetto sia in circolazione da decenni, non è stato implementato con successo fino al 2010, quando la navicella spaziale giapponese Ikaros ha testato una vela di 14 metri quadrati durante la sua missione attorno al sole. Ma una vela in grado di sopportare la leggera pressione dei fotoni solari è drasticamente diversa da una in grado di resistere al laser più potente mai costruito: la differenza tra lasciare che una nebbia di aprile ti colpisca il viso e farsi prendere a pugni da una manichetta antincendio.

Per farcela, la vela Starshot deve essere estremamente robusta, ma anche estremamente leggera. La chiave, spiega Krogan, è lasciar passare parte di quella potenza: il materiale della vela deve essere trasparente e riflettente allo stesso tempo. Il vetro è uno dei candidati più promettenti, anche se dovrebbe avere le sue proprietà regolate per ottenere il perfetto mix di riflettività e trasparenza. Il materiale ideale deve ancora essere inventato, ma ci sono alcuni progressi promettenti, dice Krogan.

Prashant Srinivasan è tra coloro che lavorano su un'astronave a scala di wafer a propulsione laser che il gruppo spera possa raggiungere Alpha Centauri in una generazione. Michelle Groskopf

La terza grande sfida è costruire la piccola navicella spaziale. Gli oggetti più piccoli in orbita attorno alla Terra in questo momento sono cubesat, che misurano 10 centimetri su ciascun lato e pesano circa un chilogrammo. Il team di Lubin vuole ridurre l'intero velivolo alle dimensioni di un microchip, quello che chiamano scala di wafer. Hanno miniaturizzato i prototipi delle dimensioni di una scatola di fiammiferi e persino di un quarto. Ma i loro migliori modelli funzionanti attualmente pesano circa 100 grammi, ancora 100 volte troppo pesanti per la missione Alpha Centauri. Gli ostacoli includono l'integrazione dell'elettronica e della fotonica, che lo rende in grado di resistere alle radiazioni nello spazio profondo, il restringimento dell'alimentazione, lo sviluppo di un propulsore di bordo ultra piccolo... l'elenco potrebbe continuare.

Ma mentre le sfide tecniche sono reali, la principale differenza tra Starshot e molti altri progetti interstellari è che non richiede nuova fisica o tecnologie fondamentalmente nuove. Quando Lubin stava sviluppando l'idea, ha inviato i dettagli ai colleghi per un feedback. Erano persone che l'avrebbero fatto a brandelli, dice. Le persone che non fanno prigionieri e non hanno pietà e sono completamente a proprio agio nel dire: 'Idiota!'... Ho detto: 'Per favore, distruggi questo, perché sono stanco di lavorarci sopra.' Alla fine, tutti quelli con cui ho parlato hanno detto , 'Beh, dovrebbe funzionare.'

Quando gli esperti tecnici di Breakthrough hanno verificato il concetto, lo schema era solido. Worden era eccitato. Eravamo tutti convinti che questa fosse la prima tecnologia interstellare davvero plausibile che avremmo potuto realizzare nella nostra vita e che sarebbe stata conveniente, dice.

E anche se non tutti i problemi saranno risolti, vale la pena risolverne alcuni, dice. Ad esempio, lo sviluppo di un veicolo spaziale pienamente capace che pesa meno di un grammo sarebbe una grande rivoluzione. I Cubesat sono stati respinti da molti fino a pochi anni fa; ora ci sono costellazioni di loro. I chipsat, dice, matureranno presto e rivoluzioneranno la scienza e le comunicazioni. Gli array laser efficienti ea basso costo potrebbero essere utili per lavori come spingere via la spazzatura spaziale. E i progressi nelle vele leggere permetterebbero ai veicoli spaziali su microscala all'interno del nostro sistema solare di raggiungere altri pianeti in mesi, non anni. Questo cambierà la nostra comprensione degli oggetti nel nostro sistema solare e la ricerca della vita, dice Worden. E commercialmente, sarà estremamente prezioso quando si cercano risorse spaziali.

C'è però un problema che non può essere risolto dalla tecnologia: la geopolitica. I laser aiuterebbero a spingere le vele solari, afferma Joan Johnson-Freese, professoressa di affari di sicurezza nazionale presso l'US Naval War College che fa anche parte del consiglio di Breakthrough. Ma quando inizi a parlare di sparare laser, le persone diventano molto nervose.

Suggerisce che gli accordi internazionali assicurerebbero probabilmente l'uso più ampio e vantaggioso di un laser così potente. E il potenziale militare dello spazio non è nuovo: oggi tutto ciò che la Cina fa nello spazio è considerato a duplice uso. Lo stesso vale per gli Stati Uniti, dice. La Cina potrebbe interpretare qualsiasi cosa facciamo come minacciosa.

Una via da seguire potrebbe essere quella di democratizzare l'esplorazione. Storicamente, gli Stati Uniti e altre superpotenze hanno dominato lo spazio, ma Starshot potrebbe aprirlo a paesi che non hanno accesso. Una nazione che ha lanciato una flotta di chipat potrebbe accedere a comunicazioni, esplorazioni e ricognizioni commerciali che in precedenza erano inaccessibili. È un progetto raro che ha implicazioni tecnologiche, scientifiche, commerciali e geopolitiche così grandi.

Michelle Groskopf

Richiede una riflessione attenta, e anche trasparenza, e possibilmente collaborazione e conversazioni internazionali a lungo termine, dice Lubin. Fortunatamente, abbiamo un po' di tempo, perché non ci attiveremo a breve.

Quindi, quando verrà realizzato Starshot? Un obiettivo è portare le sonde su Alpha Centauri entro il 2061, il 100° anniversario del volo orbitale pionieristico di Yuri Gagarin. È molto lontano, quasi sicuramente oltre la vita di Lubin. Dice che il progetto avrà una possibilità solo se le persone si renderanno conto che è basato su pietre miliari, un viaggio su strada con molti punti lungo il percorso.

Ma quel lungo orizzonte significa che avrà bisogno di soldi. I contributi della NASA sono scaduti quest'anno. Altri soldi sono arrivati ​​da un anonimo filantropo. E finora, il finanziamento di Breakthrough deve ancora arrivare.

Siamo una nuova organizzazione e siamo ancora nella fase di avvio, afferma Worden, promettendo che i soldi arriveranno una volta completate le negoziazioni tra università, appaltatori e autorità di regolamentazione.

È un enigma, ma Lubin non ha paura di un po' di complessità. Questo è esattamente ciò di cui tratta tutta questa impresa. Questa non è solo una tecnologia monouso, dice. Non sono solo wafer alle stelle. Sono i cubetti su Europa, o gli umani su Marte velocemente, o la capacità di mantenere un veicolo spaziale in orbita più a lungo a basse altitudini, o di proteggere il pianeta da minacce esterne come gli asteroidi. Se non capisci l'intera portata di questa tecnologia, allora ti perdi la bellezza della trasformazione che rende possibile.

Kate Greene è una saggista, poetessa ed ex fisica del laser.

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