EM drive: il futuro impossibile dei trasporti spaziali

Arrivare su Marte sarebbe figo, certo. Anche esplorare lo spazio. Ma finché non migliora la tecnologia dei nostri razzi, non andremo proprio da nessuna parte.

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A pesca di rifiuti spaziali

Un’immagine (un po’ melodrammatica) dei detriti spaziali che circondano la Terra. Credit: NASA

Vecchi satelliti, pezzi di razzi usati: l’orbita terrestre è una mezza discarica di rifiuti velocissimi, che minacciano di danneggiare la Stazione Spaziale Internazionale o satelliti utili. Per questo, quando ho letto che la JAXA (la NASA giapponese) ha lanciato un esperimento per pulire un po’ di questi detriti spaziali usando una corda elettrodinamica, ho pensato “Fico. Ma che cacchio è una corda elettrodinamica? Cos’è che vogliono fare?”

Dopo un po’ di ricerche, ho trovato che il principio alla base di tutto è molto semplice: quando delle particelle cariche si muovono in un campo magnetico, sentono una forza che le spinge lateralmente rispetto al loro movimento.

In questo caso, una corda metallica orbita la Terra, puntando dritta verso l’esterno. I suoi elettroni, quindi, viaggiano attraverso il campo magnetico terrestre, che li spinge di lato, accumulandoli da un lato, e creando così un voltaggio tra gli estremi della corda.

Qui viene la parte geniale: ad un capo è attaccato un aggeggio che succhia elettroni dall’ambiente circostante, all’altro uno che li risputa fuori. In questo modo, una corrente scorre attraverso la corda, seguendo il voltaggio.

La corda elettrodinamica attaccata ad un pezzo di spazzatura spaziale: come si muove, e dove spingono le forze. Credit: dailykos.com

Siccome—ripetete con me—gli elettroni in movimento in un campo magnetico sentono una spinta laterale, e la corrente sono elettroni in movimento, ora è tutta la corda che sente una spinta che la frena.

Perché deve frenarla? Perché altrimenti avremmo una macchina del moto perpetuo. E “in questa casa rispettiamo le leggi della termodinamica”, quindi non succede (e comunque i conti tornano).

JAXA vuole testare il funzionamento pratico della corda. Se tutto va bene, il piano è lanciarne di più grandi da attaccare a detriti spaziali per frenarli e farli cadere dalle loro orbite.

In futuro, satelliti e razzi potrebbero partire con corde elettrodinamiche già montate a bordo, per evitare che diventino spazzatura spaziale. Queste corde sono abbastanza leggere e non richiedono carburante, perciò sarebbero un’ottima soluzione per eliminarli a fine missione.

Ma le corde elettrodinamiche possono anche fare da acceleratore. Basta creare una corrente in direzione opposta (per cui, però, serve pescare energia da qualche parte) e la forza dal campo magnetico spingerà in avanti. Per esempio c’è un progetto per usarle per accelerare e mantenere in orbita la Stazione Spaziale Internazionale (che, pian piano, perde quota, come tutto), alimentandole con surplus di elettricità creati dai pannelli solari.

Per saperne di più
  • L’affollamento di rifiuti spaziali è un problema, ma è meno drammatico di quel che sembra da alcune immagini. E qualcuno vorrebbe addirittura lasciarlo là, come ha raccontato 99% invisible
  • La missione di JAXA’s non finiva qui. DailyKos ha messo assieme una descrizione più completa
  • L’interazione tra magneti, cariche, correnti e movimento, in fondo, ha anche a che fare con la relatività, come spiega questo video di Veritasium e Minutephysics

 

Foto copertina: CC0 Lorri Lang/pixabay

Ciambelle teoriche e computer quantistici: il Nobel per la fisica 2016

Alla fine non sono state le onde gravitazionali: il premio Nobel per la fisica del 2016 è andato a David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz. E fin lì ok. La motivazione già è più complicata:

Per la scoperta teorica degli stati della materia topologici e delle transizione di fase topologiche.

Alcuni stati della materia li vediamo sempre: solido, liquido e gassoso (magari il plasma se fate robe strane). Le transizioni di fase succedono quando, cambiando temperatura o altre condizioni, la materia passa da uno stato all’altro, ad esempio quando si scioglie il ghiaccio. Ma ci sono molti altri stati e molte altre transizioni.

Thouless, Haldane and Kosterlitz

David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz

Alcune riguardano le proprietà elettriche o magnetiche dei materiali, ed a quelle hanno dato la caccia i nostri premiati novelli. Thouless, Haldane e Kosterlitz hanno studiato gli improvvisi cambi nella conduttanza—l’efficienza nel trasportare elettricità—di alcuni materiali molto freddi (-270 e qualcosa gradi) quando si cambia appena la temperatura. Questo effetto era impossibile da gestire con la normale meccanica quantistica, perché ha a che fare con il comportamento collettivo degli elettroni.

Thouless, Haldane e Kosterlitz, invece, hanno usato la topologia. Nulla a che fare coi roditori, la topologia è una branca della matematica che studia le proprietà che non cambiano stirando, torcendo o piegando le cose, senza bucare, tagliare o incollare. In termini topologici, una ciambella è la stessa cosa di un tubo—li trasformare l’una nell’altro—ma è diversa da una palla, perché dovremmo chiudergli il buco.

Le proprietà topologiche cambiano a salti, perché cose come il numero di buchi devono essere numeri interi (non si può avere mezzo buco…), proprio come quella strana conduttanza. Perciò gli scienziati hanno pensato che trasformazioni topologiche (anche se non proprio l’apparizione di buchi) potessero spiegarla.

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Cambi “a scalini” nella topologia causano improvvisi cambi nella conduttanza. Però non si tratta davvero di buchi! Quelli sono solo un esempio di trasformazioni topologiche. Credit: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

La cosa insolita di questo premio è che le scoperte non hanno ancora un’applicazione pratica: sono “solo teoriche“. Però hanno aperto le porte per la ricerca su materiali che sfruttino queste proprietà, che vanno molto di moda di questi tempi. Questi materiali topologici potrebbero essere anche una via verso il sogno di costruire computer quantistici. Durante la conferenza stampa della premiazione, Haldane ha infatti spiegato che la topologia potrebbe proteggere i delicati segnali in un computer quantistico dai danni provocati da impurità all’interno del materiale stesso.

 

Foto copertina: CC0 Thomas Kelley via unsplash.com

Per saperne di più

Come fa la luce ad arrivare subito alla velocità della luce?

Qualche tempo fa mi sono imbattuto in questa bella domanda su Quora: quando la luce viene emessa, come fa a raggiungere la sua fenomenale velocità? Accelera da 0 a 300mila chilometri al secondo? E quanto ci mette?

Siamo abituati a pensare che la luce sia uno sciame di fotoni, delle specie di microscopiche palline luminose. Se accendiamo una lampadina, succede qualcosa al suo interno che le fa sparare fuori miriadi di questi corpuscoli. Logica vuole che, partendo da una lampadina (solitamente) ferma, i fotoni debbano accelerare per arrivare alla velocità della luce.

I fotoni si comportano sia come particelle che come onde. Credit: Timothy Yeo / CQT, National University of Singapore, via phys.org

Però non è così: la luce viaggia sempre alla stessa velocità. Sempre. Il motivo è che, anche se si comporta come se fosse fatta di palline, la luce è anche un’onda (non per niente, spesso parliamo di lunghezze d’onda della luce), è una perturbazione del campo elettromagnetico. Come tale, può nascere già in viaggio ad una certa velocità.

Allo stesso modo, quando qualcosa cade nell’acqua, le increspature che crea sulla superficie nascono già in movimento, tutte alla stessa velocità, che è una caratteristica propria dell’acqua.
Lanciando un sasso in uno stagno di olio, alcool o catrame otterremmo onde di velocità diverse.

La luce è un’increspatura nello “stagno” elettromagnetico. La sua velocità è quella caratteristica dello spazio-tempo, ovvero la velocità della luce. Le onde gravitazionali sono increspature nello spazio-tempo stesso, e si spostano alla stessa velocità.

Il suo valore ci dice qualcosa di molto importante sul nostro universo, sulla sua struttura più intima, qualcosa di molto più profondo della semplice velocità a cui si spostano i fotoni.

Per una volta, la luce non ha niente di speciale, o almeno non più speciale di altre onde.

 

Foto copertina: accelerate, CC-BY Marcus Pink, via Flickr. Some rights reserved.

Magneti da frigo

Per la prossima generazione di frigoriferi i magneti saranno molto più che decorativi. E questo li renderà molto meno inquinanti.

Usando alcune nuove leghe metalliche si potrebbe infatti produrre frigoriferi sfruttando il cosiddetto “effetto magnetocalorico“. Semplificando molto, il giusto materiale, sottoposto ad un campo magnetico variabile, può disperdere calore nell’ambiente più velocemente di quanto assorbe dall’interno del frigo, tenendolo fresco.

Le nuove leghe, realizzate al Rochester Institute of Technology, sono le prime che possono sfruttare l’effetto anche a temperatura ambiente. Questo apre le porte a tecnologie di refrigerazione che consumano meno elettricità e non usano gas inquinanti.

Nello studio, il lavoro di laboratorio si è intrecciato strettamente con la teoria. “Abbiamo potuto calcolare le proprietà di molti composti prima ancora che fossero prodotti”, dice Casey Miller, a capo del team. Lo studio teorico dei materiali è in grandissima espansione, che sta già facendo fare enormi passi avanti a molti campi: dall’elettronica alle auto ad idrogeno.

Foto: Fridge Magnets, CC-BY Sarnil Prasad, via Flickr. Some rights reserved.