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.

Continua a leggere

Come si cercano le particelle

Magari avete sentito le notizie di quest’estate che il CERN non ha poi trovato la particella che si pensava avessero trovato. E magari vi ha fatto realizzare che il processo con cui “si trovano le particelle” non è per niente chiaro. Fortunatamente Abstrusegoose (riposi in pace) qualche tempo fa fece una bellissima striscia, piuttosto illuminante su come funziona la fisica delle alte energie.

L'analogia funziona anche con le rane. O meglio, non funziona. Comunque, non provateci per favore! credit: abstrusegoose.com

Come dice abstrusegoose, gli ex fisici delle particelle sono i peggiori biologi. L’analogia funziona anche con le rane. O meglio, non funziona. Comunque non provateci per favore! credit: abstrusegoose.com

Anche se un po’ vago sui dettagli, il processo è più o meno quello*, solo che si usano protoni (o altre particelle) al posto delle rane. In breve: li si spara fortissimo uno contro l’altro e si vede cosa ne esce.

Protoni e rane, però, hanno alcune fondamentali differenze, e due in particolare sono cruciali per noi. Primo: un protone non è un oggetto solido, non ha nulla “dentro” (e non ha un “dentro”, se è per quello). Secondo, rimettendo insieme i pezzi delle rane, otterremo di nuovo le due rane. Nulla meno (se siamo molto bravi a raccogliere i pezzi), ma sicuramente nulla di più. Per le particelle è tutta un’altra storia.

Gli acceleratori come LHC spingono le particelle quasi alla velocità della luce. Siccome la massa può diventare energia e viceversa, l’inimmaginabile energia liberata quando le particelle si scontrano può produrre ogni sorta di cose nuove ed esotiche che non c’erano prima. E può avere molta più massa di quella con cui siamo partiti: più veloci sono i nostri protoni, più massa ha la roba che esce. Il bosone di Higgs, ad esempio, è stato scoperto scontrando coppie di protoni, ma ha 60 volte più massa. Sarebbe come se, scontrando due rane, uscisse qualcosa delle dimensioni di un bambino delle elementari.

Tuttavia, queste particelle formate nella collisione non si possono vedere direttamente, in parte perché restano lì davvero pochissimo. Mooolto meno di un miliardesimo di secondo dopo la collisione sono già decadute, sparando fotoni e particelle più piccole in ogni direzione.

Avete presente quelle belle immagini con tutte le linee colorate che pubblicano i laboratori di fisica delle particelle? Ecco, quelle linee sono la traiettoria di questi detriti sparati fuori.

alice-proton-lead

I prodotti di una collisione nell’esperimento ALICE del CERN. Credit: home.cern

Quella è la roba che i fisici studiano davvero. Ci sono rivelatori tutto intorno al punto della collisione per misurare e tracciare e contare quanto di quale tipo di ciarpame subatomico è uscito e dov’è andato. Sapendo come decadono varie particelle, gli scienziati setacciano i dati e risalgono a cosa è successo subito dopo la collisione.

Quando trovano troppo o troppo poco di qualcosa inizia il divertimento, perché potrebbe significare che si era formata una nuova particella sconosciuta. Perciò tutti si erano agitati per i dati del CERN lo scorso anno. Oppure potrebbe significare che i modelli che ci dicono cosa aspettarci dai decadimenti sono sbagliati, che comunque è interessante. Oppure potrebbe voler dire che si sono formate le solite particelle e, per caso, sono decadute più spesso in un modo piuttosto che in un altro. Questo è quello che è poi successo coi dati del CERN: quando hanno analizzato più collisioni, la media è tornata dove ci si aspettava. Niente nuova particella.

Per saperne di più
  • Sotto sotto, la massa è più complicata della quantità di materia in un oggetto. Magari ne scriverò. Per ora, andatevi a vedere questo bel video con Sean Carrol che esplora questi aspetti
  • Come si fa a vedere i prodotti della collisione: il CERN spiega come funzionano i suoi rivelatori

Foto copertina: LHC, CC-BY-NC-ND UCI UC Irvine via Flickr. Some rights reserved.

*Osservazione del fisico pedante: l’acceleratore di rane non è un collider e LHC non funziona proprio così. Ma va anche bene così: sta pur sempre usando delle rane!

Olio accartocciato

Non sempre un foglio accartocciato va buttato. Un gruppo di ricercatori negli Stati Uniti usa palline accartocciate di grafene per migliorare l’olio per i motori.

“Ogni anno milioni di tonnellate di carburante finiscono sprecate per via dell’attrito”, dice Jiaxing Huang della Northwestern University. E questo nonostante usiamo l’olio per lubrificare il motore e ridurre l’attrito nei cilindri e in tutte le parti meccaniche, ma non bastano.

Huang e i suoi colleghi hanno aggiunto all’olio microscopiche palline di grafene. Questo materiale di solito forma sottili strati, da cui i ricercatori hanno ottenuto piccolissimi foglietti che hanno immerso in acqua. Facendo evaporare l’acqua, dice Huang “si genera una forza che accartoccia i foglietti in piccole palline, come quando noi accartocciamo un foglio con le mani”.

Il risultato sono piccoli cuscinetti a sfera che, nei test, hanno migliorato le prestazioni dei lubrificanti di circa il 15%.

L’effetto dipende molto poco dalla concentrazione di palline, perciò non serve neanche starci troppo attenti.

 

Foto copertina: A Crumpled Paper Ball, CC-BY Turinboy, via Flickr. Some rights reserved.

Ultimo tango a Greifswald

Gli atomi ballano, sempre più vicini. La temperatura sale, loro si spogliano degli elettroni e si avvicinano ancora, fino a fondersi. Solo Barry White in sottofondo può rendere la fusione nucleare più sexy.

Greifswald è una piccola città all’estremo nord-est della Germania. Non ha molto di speciale, tranne il primo esemplare (partito la scorsa settimana) di un reattore a fusione che potrebbe rivoluzionare il campo.

La maggior parte dei reattori a fusione moderni si basano—chi più, chi meno—sul Tokamak sovietico. In pratica, fortissimi campi magnetici tengono comprimono l’idrogeno in un grande contenitore a forma di ciambella.

Purtroppo, la forza magnetica necessaria per raggiungere la fusione nei Tokamak è così intensa che spesso danneggia il reattore.

Anche il reattore di Greifswald (chiamato Wendelstein 7-X) è fatto a ciambella, ma la camera per la fusione ha strana forma “attorcigliata”. Con questa particolare geometria, mentre gli atomi danzano uno intorno all’altro, possono essere compressi stressando meno i materiali del reattore.All’interno della camera si sviluppano temperature così estreme (oltre 100 milioni di gradi) che gli atomi di idrogeno perdono i loro elettroni e si scontrano tra loro così forte da fondersi per formare elio.

Costruire questo reattore è molto difficile: i materiali che creano il campo magnetico devono rimanere a -270 gradi e stare a pochissima distanza dal centro incandescente. Anche la progettazione deve essere molto precisa, tanto che ha richiesto un supercomputer.

A dicembre sono partiti i test con l’elio, che si scalda ma non dà fusione. Se tutto funziona come sembra, partirà anche il caldo tango dell’idrogeno. E forse un nuovo capitolo della fusione nucleare.

Foto: Dancing, CC-BY Vladimir Pustovit, via Flickr. Some rights reserved.

Il paese che rompe i televisori

C’è un paese ricco di bellezza: foreste, deserto, sterminati laghi salati, montagne altissime. Un paese dove guidare può diventare molto pericoloso. Un paese dove il vostro nuovo televisore al plasma durerà poco. ¡Bienvenidos a Bolivia!

Lo schermo al plasma è fatto di tante piccole lampade simili a quelle al neon. Funzionano facendo passare una corrente elettrica attraverso un contenitore di gas (sorprendente esempio: il neon), la corrente eccita gli elettroni del gas, che emettono raggi UV. Il rivestimento del contenitore è fluorescente, cioè trasforma raggi UV in luce visibile.

Nelle lampade al neon è luce bianca, in ogni pixel dello schermo è verde, rossa o blu, per formare tutte le immagini della nostra serie preferita.

Visto che ci piacciono schermi ad alta definizione molto piatti, le “lampade” al loro interno sono barattolini di gas sottili e delicatissimi.

Per questo, se la pressione esterna diventa troppo bassa, il gas si espande e deforma il barattolino, rendendo più faticoso il passaggio della corrente. Quindi il televisore deve lavorare di più, affaticando soprattutto il sistema di raffreddamento.Il risultato è un sacco di rumore e TV che invecchiano in fretta.

Normalmente non è un problema: la pressione atmosferica è più o meno sempre quella… al livello del mare.

Col crescere dell’altitudine, però, la pressione cala. Ecco cosa c’entra la Bolivia: molte delle sue principali città sono così in alto che creano problemi agli schermi al plasma.

 

Foto: Jungle and Mountains – Coroico, Bolivia, CC-BY-NC-ND Geee Kay, via Flickr. Some rights reserved

Acceleratori portatili

Nel 1949 un computer era grande come una stanza. O come gli acceleratori di particelle che iniziavamo ad usare in medicina per radioterapia e diagnosi. Oggi computer più potenti di allora ci stanno in mano, ma gli acceleratori medici sono ancora ingombranti ed avidi di elettricità. Ma non per molto.

“Quello che richiedeva una stanza piena di apparecchiature potrà essere fatto da un carrello usando una normale presa di corrente” dice Andrew Goers, giovane ricercatore dell’Università del Maryland.

Il suo lavoro, pubblicato sulla prestigiosa Physical Review Letters, si basa sull’accelerazione al plasma. Semplificando, un laser sparato su un plasma (un gas con gli elettroni slegati dai loro nuclei) si lascia una scia, come un motoscafo. Questa risucchia elettroni, accelerandoli tantissimo.

Finora questa tecnica richiedeva laser potentissimi. Ma, sfruttando un effetto relativistico, Goers ha amplificato l’impulso laser. Ora un laser che consuma meno di una lampadina è sufficiente per un acceleratore medico.

Foto: gratisography.com

Spiegando le vele al Sole

Tutti i pianeti sono spazzati dal feroce vento solare. Può ridurli a deserti inanimati o trasformare il cielo in uno spettacolo mozzafiato. Ma che ci fa del vento nello spazio? E, soprattutto, si può usare per andare a vela?

Il vento solare non è il tipo di vento a cui siamo abituati, dato che non c’è aria nello spazio: invece che di molecole di aria, è fatto di particelle (soprattutto protoni, elettroni e particelle alfa) prodotte dalla fusione nucleare che alimenta il Sole. La maggior parte resta lì, risucchiata dalla forza di gravità. Ma alcune sono veloci abbastanza (da 400 km/h in su) da scappare, guidate dal campo magnetico del Sole. E non sono poche: miliardi di chili al secondo (comunque una nullità rispetto alla massa del Sole).

Pian piano, il vento solare erode l’atmosfera dei pianeti. Senza atmosfera, l’acqua sulla superficie (ammesso ce ne fosse), evapora, lasciando il pianeta deserto. Le radiazioni del vento solare annientano qualunque eventuale sopravvissuto.

Marte ci ha rimesso atmosfera e acqua (quasi tutta). La Terra è fortunata: ha un campo magnetico che salva l’atmosfera dall’erosione e il pianeta da devastazioni assortite.

Come il campo magnetico del Sole guida il vento solare, infatti, quello della Terra lo deflette. Una parte devia e ci evita del tutto, il resto si raccoglie ai poli e produce l’aurora boreale. Perciò, per quanto terrificante, il vento solare è anche un po’ una figata.

E sì, anche se non può spingere una barca sulla Terra, lo si può usare per andare a vela. Nello spazio!

Foto: i20141109_181209c, CC-BY-NC-ND Kris Fricke, 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.

La fusione può diventare competitiva

Da molti anni si parla di fusione nucleare, con cui potremmo produrre tantissima elettricità, in modo sicuro, pulito, senza scorie e pesando pochissimo sulle risorse del pianeta. Per ora costa troppo, ma presto questo potrebbe cambiare.

Generare le altissime temperature e i campi magnetici estremi necessari per la fusione, infatti, richede enormi energie e macchinari costosissimi. Questo ha fermato la tecnologia a reattori sperimentali (come ITER in Francia). Ma un recente studio stima che i moderni superconduttori potrebbero abbattere sensibilmente le richieste energetiche e i costi in pochi decenni. “Le nostre previsioni suggeriscono che la fusione non sarà enormemente più costosa della fissione“, ha dichiarato il Professor Damian Hampshire dell’Università di Durham, che ha coordinato la ricerca.

Intanto, altri gruppi di ricerca stanno tentando strade alternative (a volte bizzarre). In un modo o nell’altro, siamo sempre più vicini a realizzare il sogno della fusione.

Foto: CC-BY-NC, Nuclear Wetlands su James Marvin Phelps, via Flickr. Some rights reserved