1990. Raggiungere Marte in barca a vela

Benvenuti nella sezione speciale “GdV 5o Anni”. Vi stiamo presentando, giorno dopo giorno, un articolo tratto dall’archivio del Giornale della Vela, a partire dal 1975. Un consiglio, prendete l’abitudine di iniziare la giornata con le più emozionanti storie della vela: sarà come essere in barca anche se siete a terra.

Appuntamento su Marte

Tratto dal Giornale della Vela del 1990, Anno 16, n. 04, maggio, pag. 46-51.

Quando ancora è fantascienza lo sbarco del primo uomo su Marte, un gruppo di visionari nel 1990 lancia la sfida della Space Sail Cup, la prima regata velica spaziale. Era una cosa seria, affascinante, con un concorrente italiano. Un progetto meno folle di quello che sembra.

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È stata lanciata la sfida della prima Space Sail Cup, la prima regata velica spaziale, che prenderà il via nel 1992. Iscritte a questa incredibile “regata” solo navicelle in grado di muoversi sfruttando il vento solare. Come meta, il pianeta Marte ad oltre 400 milioni di chilometri dalla Terra, uno dei più misteriosi e affascinanti della nostra galassia. Al via della regata, che per ora prevede solo tre concorrenti, una navicella italiana Capitana Italica, che ha recentemente vinto le selezioni europee. Nata da un progetto della Aeritalia, Capitana Italica (nella foto di apertura al computer), presenta delle incredibili soluzioni tecniche mai sperimentate prima d’ora. Dotata di scafo, albero e vele, la cui superficie sarà di diecimila metri quadrati, verrà messa in orbita dallo Shuttle o da un razzo Ariane e impiegherà poco più di tre anni per raggiungere il Pianeta Rosso.

La notizia è ormai nota a tutti, grazie al grande risalto datole dalla stampa quotidiana: l’Aeritalia, industria aerospaziale italiana controllata dal gruppo Iri Finmeccanica, ha vinto la selezione fra gli sfidanti europei e rappresenterà il nostro continente nella “Columbus 500 Space Sail Cup”. Come appunto dice il nome, si tratta di una vera e propria “regata a vela” spaziale da disputarsi sul percorso Terra – Marte doppiando la “boa” Luna. Quando lessi la notizia sul “Corriere della Sera”, pensai che qualcuno doveva essersi bevuto il cervello se era stato capace di immaginare una nave a vela spinta dalla luce del Sole e, per di più, in grado di raggiungere Marte! Roba da fa concorrenza a Giulio Verne, però con un secolo di ritardo! E se fosse possibile? Ecco che dopo neanche un minuto era scattato il tarlo del dubbio e si era fatta viva la mia natura di curioso cronico, stimolata in questo caso anche da una certa vena di sadismo: ma ci pensate alla faccia di Gardini e della sua multinazionale costituita apposta per vincere una Coppa America e di colpo precipitata nella preistoria? Ce n’era abbastanza per cercare di saperne di ріù. E così eccomi qui a cercare di descrivere una meravigliosa ed affascinante avventura che vedrà un’azienda italiana, l’Aeritalia appunto, impegnata da protagonista in un’impresa apparentemente fantascientifica. Non si tratta di una semplice competizione, si tratta di dimostrare la possibilità di “costruire” nello spazio strutture estremamente complesse e di navigare verso nuovi mondi grazie ad una vela spinta dalla luce del Sole. Ma come può la luce “gonfiare” una vela e governare una navicella?

Il vento solare

E’ necessario chiarire subito una cosa: il “vento solare” , cioè il flusso di protoni ed elettroni ad alta velocità emessi dal Sole e citato da più fonti non molto ben informate come propulsore della “vela solare”, in realtà gioca un ruolo minimo: la sua spinta è infatti da 1.000 a 10.000 volte inferiore a quella prodotta dalla luce. Sarà invece proprio la luce emessa dal Sole a “soffiare” , assai flebilmente se paragonata al vento terrestre, sulle vele dei partecipanti alla Space Sail Cup. Purtroppo i concetti della meccanica quantistica, che servono per capire le interazioni fra luce solare e vela, non sono tanto facili da spiegare. E in effetti ci sarà pure un motivo se su queste teorie un tale di nome Albert Einstein ha vinto un premio Nobel! Tra le altre cose, egli stabili il principio di equivalenza tra massa ed energia, esprimendolo con la notissima formula E=mc2 dove c’è la velocità della luce. Detto in parole povere questo significa che, poiché la luce, come in generale tutte le radiazioni elettromagnetiche, trasporta una energia (pari al prodotto tra la costante di Plank e la sua frequenza), possiamo immaginarla formata da “corpuscoli” (i fotoni) privi di massa ma dotati di energia ed in moto alla velocità della luce (pari a circa 300.000 Km/s). Quando i fotoni colpiscono la superficie della vela entra in gioco un principio fisico detto “conservazione della quantità di moto”. in base al quale, nel caso di urto “elastico” tra due corpi (e cioè senza che uno dei due subisca deformazioni), il prodotto massa velocità del sistema formato dai due corpi rimane costante prima e dopo l’urto. Al di là del dotto enunciato, questo principio significa che, immaginando la vela illuminata dalla luce solare come se fosse “bombardata” da un’infinità di fotoni, questi, colpendo la sua superficie vengono deviati (riflessi o assorbiti) generando così una vera e propria pressione e dando quindi origine ad una spinta. L’intensità e l’orientamento di tale spinta dipendono dall’inverso del quadrato della distanza Sole-vela (all’aumentare della distanza dal Sole la forza diminuisce in modo quadratico, a parità di superficie velica ovviamente, per il “diradarsi” dei fotoni emessi radialmente dal Sole), dalla superficie velica, dall’angolo con cui la radiazione incide sulla vela e dalle caratteristiche di riflessione / assorbimento della vela, se perfettamente riflettente la “forza” carpita è il doppio di quella di una superficie perfettamente assorbente, (vedi figura 1).Per avere un’idea dell’esiguità delle forze in gioco si pensi che a 150.000.000 Km dal Sole, cioè alla stessa distanza della Terra dal Sole, la forza esercitata dalla pressione della luce incidente perpendicolarmente su di una vela perfettamente riflettente di 10.000 metri quadrati (un ettaro, pari ad un quadrato di 100 m di lato!) è pari a circa 0.09 Newton (9 grammi sulla Terra!). L’accelerazione con cui si muove un veicolo spaziale sotto l’azione di questa forza è governata dalla legge F=mxa e, nel caso di una massa di 500 Kg, sarà pari a 0.18 mm/s2 (circa 18 milionesimi dell’accelerazione di gravità!). La domanda che nasce spontanea è: come si può con una forza così minima raggiungere Marte? E come è possibile farlo in un tempo relativamente breve? La risposta è piuttosto semplice: nello spazio, come è noto, non vi sono attriti e quindi è sufficiente anche solo una piccola forza accelerante per ottenere continui incrementi di velocità (che diventerà così assai elevata). Per di più la navicella non parte certamente da ferma nel suo viaggio verso Marte: infatti al momento del suo rilascio nella prima orbita si muove attorno al Sole con la stessa velocità della Terra: 30 Km/s, pari a 108.000 Km/h.

Il percorso e la tattica di regata

Possiamo distinguere il cammino della navicella in 3 fasi fondamentali:

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1) nella prima fase l’obiettivo è raggiungere nel più breve tempo possibile l’orbita lunare – prima “boa” della regata – e passare il più possibile in prossimità del nostro satellite, anche per sfruttare il suo campo gravitazionale a fini propulsivi.
2) l’obiettivo immediatamente successivo sarà quello di immettere la navicella in orbita interplanetaria attorno al Sole, sganciandola quindi dal campo gravitazionale terrestre.
3) la terza fase sarà quella di navigazione vera e propria verso Marte.

Le fasi 1 e 2 sono senz’altro le più critiche, in quanto la navicella si troverà in orbita attorno alla Terra e dovrà incrementare la propria velocità di rotazione facendo sì che la spinta impressa dalla vela sia la massima possibile lungo la rotta. Per fare questo, occorrerà manovrare continuamente la vela, che verrà a trovarsi in alcuni tratti “controsole”, in altri con il “Sole in poppa” (vedi figura 2). Questo richiederà un sofisticato e continuo controllo dell’assetto, per permettere alla vela di trovarsi sempre in condizioni di massima spinta utile (vedi figura 3). La fase 3 sarà invece possibile compierla con 2 “‘tattiche” differenti. Una prima tattica, più semplice perché non richiede regolazioni d’assetto, è dello stesso tipo di quella attuata per raggiungere la Luna. Questa volta però, essendo la rotazione della nave direttamente intorno al sole, l’assetto della vela sarà costante e tale da massimizzare l’accumulo di energia totale. Con questa tattica è previsto di raggiungere Marte in circa 4.8 anni, descrivendo la “spirale” (vedi figura 4). La seconda tattica possibile parte dal presupposto fisico che un’orbita ellittica ha lo stesso contenuto energetico di un’orbita circolare avente raggio uguale al semiasse maggiore dell’ellisse stessa. È quindi possibile, seguendo un’orbita ellittica, raggiungere un solo punto dell’orbita di Marte con una energia minore di quella richiesta dalla prima tattica. In questo modo si potrebbe raggiungere Marte in “solo” 3.5 anni (vedi figura 5), con però consistenti difficoltà connesse dovute: all’esigenza di regolare di continuo la vela per rendere ellittica l’orbita della nave attorno al Sole; e alla precisione di navigazione richiesta per ritrovarsi all’appuntamento con Marte in un punto ben preciso della sua orbita (vedi figura 6).

Il Progetto Aeritalia per “veleggiare” verso Marte

Perché il nome di “Capitana Italica”. Capitana è stato il primo nome dell’ammiraglia di Cristoforo Colombo, ribattezzata Santa Maria al momento della partenza per propiziarsi le grazie del cielo e della cattolica regina di Spagna. Capitana Italica è il nome scelto dall’Aeritalia per battezzare la sua nave (vedi figura 7). Un nome carico di significati che vanno al di là della semplice commemorazione colombiana e sottolinea il ruolo trainante dell’Aeritalia come industria spaziale italiana, europea e mondiale. E meglio di così l’avventura non sarebbe potuta iniziare. Capitana Italica ha infatti vinto le selezioni europee sconfiggendo 2 progetti inglesi, 2 francesi e ben 4 presentati dall’Unione Sovietica e strappando il seguente giudizio a Klaus Heiss, ideatore della Space Sail Cup: “L’Aeritalia ha presentato la proposta più completa, spettacolare e realistica. È il progetto più impressionante fra quelli presentati in Europa e, per diversi aspetti, anche a confronto di quelli statunitensi”. Ma vediamo un po’ in dettaglio come è fatta. È costituita essenzialmente da tre parti: la Vela, l’Albero, la Nave vera e propria.

La vela – Costruita in Mylar di 5 micron di spessore e sottoposta ad un trattamento di “alluminizzazione” sulle 2 facce per aumentarne il potere riflettente, ha una superficie di 10.000 metri quadrati. La sua forma è quadrata con lato di 100 metri. Per rendere possibile lo stivaggio dell’intera navicella all’interno di un contenitore standard trasportabile dallo Shuttle o da un razzo Ariane, è stato necessario concepire una struttura molto “ardita”, in grado di spiegarsi da sola una volta lanciata dal vettore. L’idea è semplicissima e geniale al tempo stesso: 4 longheroni gonfiabili incernierati al centro della vela e disposti secondo le diagonali della vela stessa. Tali longheroni sono veri e propri “tubi” gonfiabili tipo quelli dei canotti pneumatici, costruiti in tessuto di kevlar preimpregnato con una speciale resina in grado di polimerizzare per effetto del calore del sole e del catalizzatore contenuto nel gas di gonfiaggio. La sequenza di apertura della vela è rap- presentata nelle sue quattro fasi principali nella pagina accanto. Il peso totale di vela e longheroni di sostegno è di soli 126 kg! Da far invidia al più esperto velaio.

L’albero – È costituito da una struttura a traliccio in fibre di carbonio, in grado di allungarsi telescopicamente e raggiungere la lunghezza operativa di circa 10 metri.

La nave – È il “cervello” del sistema. Contiene i computer di bordo, gli apparecchi per telecomunicazioni, gli impianti per esperimenti scientifici, i pannelli solari per la produzione dell’energia elettrica necessaria ad alimentare i servizi del satellite ed i regolatori della vela.

di Paolo Damia