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

La magnetica scienza delle elezioni

Elezioni e referendum sono roba complicata: un mucchio di persone devono decidere cosa fare, ci sono tantissimi fattori che entrano non gioco. Insomma, sembra pressoché impossibile per la fisica capirci qualcosa. Sfida accettata!

credit: wikimedia

credit: wikimedia

Certo, non è possibile capire cosa passa per la testa a ciascuno di noi. Ma se mettiamo assieme abbastanza persone, si può capire cosa succede a livello collettivo. L’idea è simile a come si estrapolano cose come la temperatura e la pressione dell’aria in una stanza, tralasciando cosa faccia ogni singola molecola.

I fisici hanno usato una quantità di modelli per sbrogliare la matassa elettorale e descrivere un sacco di cose, dall’affluenza alle urne alla performance dei candidati. Inizia tutto da come prendiamo posizione, e il modo più semplice di descriverlo sono i magneti.

ising

Spin su una griglia, quelli opposti ai loro vicini (collegamenti rossi) sono meno stabili e tendono a rovesciarsi per allinearsi (collegamenti verdi).

Il modello per descrivere come i magneti “scelgono” come mettere i poli è un pilastro fondamentale della cosiddetta meccanica statistica. Prendiamo un numero di spin, piccoli aghi di bussola magnetici, e diciamo che possono puntare “in su” o “in giù”—votare sì o no ad un referendum, volendo. Ognuno di loro ha un piccolo campo magnetico, e tutti si influenzano a vicenda, cercano di allinearsi ai loro vicini o di farli allineare a sé. Allo stesso modo i nostri amici, parenti e conoscenti talvolta ci convincono delle loro posizioni, oppure noi convinciamo loro.

Ovviamente, prendere decisioni è immensamente più complesso di così—e anche il magnetismo, comunque. Tuttavia possiamo usare questo modello per isolare l’effetto di diversi fattori. Prendiamo ad esempio i social media e la famigerata “bolla”.

play-stone-1237457_640

Credit: Gerd Altmann/pixabay

Facebook ( ma non solo) mostra a ciascuno di noi preferenzialmente cose con cui siamo d’accordo, e fa sparire il resto. Nei termini dei nostri spin, è come se si tagliassero i collegamenti con vicini che puntano dalla parte opposta. L’effetto è che si formano blocchi di spin tutti allineati, in cui nessuno sente l’altra campana. La società si spacca in due. Suona familiare?

ising_bubble

Collegamenti selettivi spaccano in due la società degli spin, creando blocchi isolati di individui testardamente d’accordo tra loro.

È un esempio molto semplificato (di un effetto piuttosto semplice, tra l’altro), che però mostra come i modelli possano isolare effetti diversi. Perciò possono anche dirci quali manopole possiamo girare per cambiare il clima elettorale e la discussione.

Ovviamente questo non vuol dire che abbiamo risolto il comportamento umano: è importantissimo ricordare che questi sono modelli super-semplificati, e che ci sono tantissime cose che entrano in gioco in votazioni reali. Più le scienze sociali e quelle naturali si parlano, più questi modelli e i loro risultati miglioreranno.

Nel frattempo, votate.

Per saperne di più

 

Foto copertina: CC0 Andreas Breitling, via pixabay.com

Che diavolo è la fMRI?

Alcune parti del cervello si “accendono” quando proviamo certe emozioni, quando ascoltiamo la musica, o quando risolviamo problemi matematici. Vi sarà sicuramente capitato di imbattervi in notizie simili, visto quanto spesso finiscono sulla stampa. La tecnica che si usa per questi studi (e in tantissimi altri di neuroscienze) si chiama risonanza magnetica funzionale, o fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging), che è una gran figata, ma sembra anche avere qualche problema. Prossimamente se ne sentirà parlare abbastanza, quindi vale la pena di capire cos’è.

Una macchina per la risonanza magnetica. CC-BY-NC Penn State, via Flickr.

Cominciamo dalle basi. La risonanza magnetica (quella che ci fanno se ci facciamo male al ginocchio, per capirci) sfrutta campi magnetici e la risonanza, cioè reazioni inusuali di un oggetto o materiale ad uno stimolo di una particolare frequenza.

Il classico esempio è spingere qualcuno su un’altalena: spingendo ogni volta che l’altalena arriva a fine corsa, la facciamo più in alto che spingendo in momenti a caso. Semplificando (molto), la risonanza magnetica usa onde radio per spingere atomi di idrogeno, che abbondano in tessuti ricchi di acqua o grasso, tipo il cervello.

I nuclei di idrogeno hanno spin, una proprietà che li fa reagire ai campi magnetici come una bussola. La macchina per la risonanza magnetica applica un forte campo magnetico, allineando gli spin degli atomi, che poi colpisce brevemente con un’onda radio. Se la sua frequenza è quella giusta (chiamata frequenza di risonanza), l’onda rovescia lo spin di alcuni atomi (non gli atomi stessi però!).

Appena l’impulso termina, tutto torna com’era e gli atomi rilasciano un po’ di energia. Registrando queste emissioni con un’antenna si possono distinguere tessuti con diverse quantità d’acqua, ad esempio, diverse parti del cervello, generandone un'immagine.

Schema semplificato del funzionamento della risonanza magnetica. Gli atomi (palline rosse) si allineano al campo magnetico verde, finché l’onda elettromagnetica viola non li investe, rovesciando i poli di alcuni. Appena possono, gli atomi tornano al loro stato iniziale e rilasciano l’energia, che viene registrata dall’antenna blu. Credit: howequipmentworks.com

Per la fMRI si registrano velocemente tantissime di queste immagini. Analizzandole tutte è possibile capire quali parti del cervello sono più attive in ogni momento perché sono quelle dove viene indirizzato più sangue ossigenato, che reagisce alla risonanza in modo leggermente diverso da quello che sta lasciando il cervello.

L’operazione, francamente geniale, richiede un sacco di analisi statistica. Secondo alcuni studi recenti, servirebbe molta cautela e un intenso scrutinio dei software che fanno questa parte del lavoro. In uno studio, ad esempio, un salmone morto sembrava reagire quando gli venivano mostrate foto di persone.

Non vuol dire che la tecnica non sia valida, ma solo che bisogna stare attenti a cosa succede. Questi studi sono importantissimi per la ricerca, perché ci fanno identificare problemi ed errori.

Solo così possiamo essere sicuri di quello che stiamo facendo e di sfruttare appieno i risultati di tecniche spettacolari come la fMRI.

Per saperne di più

 

Foto copertina: SumaLateral Whole Brain Image, CC-BY NIH Image Gallery, via Flickr. Some rights reserved.