I veicoli spaziali di domani saranno costruiti usando materiali avanzati con proprietà strabilianti.
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16 settembre 2002: “Quello che cerco veramente”, dite al venditore, “è un’auto che faccia almeno 10.000 miglia tra un rifornimento e l’altro, che si ripari automaticamente, che viaggi a 500 mph e che pesi solo poche centinaia di libbre.”
Mentre lui rimane lì con gli occhi spalancati, tu aggiungi: “Oh sì, e posso spendere solo un quarto di quello che costano queste altre auto.”
una navicella spaziale drasticamente migliorata.
Una richiesta come questa vi farà sicuramente ridere fuori dal parcheggio delle auto nuove. Ma per molti versi, questa auto da sogno è una metafora dei veicoli spaziali di cui avremo bisogno per espandere la nostra esplorazione del sistema solare nei decenni a venire. Questi nuovi veicoli spaziali dovranno essere più veloci, più leggeri, più economici, più affidabili, più resistenti e più versatili, tutto allo stesso tempo.
Impossibile? Prima di rispondere, considerate come avrebbe potuto reagire un allevatore di 200 anni fa se un uomo avesse chiesto di comprare un cavallo che potesse correre a 100 mph per ore e ore, portare tutta la sua famiglia e tutti i loro bagagli, e cantargli le sue canzoni preferite per tutto il tempo! Oggi li chiamiamo minivan.
Le rivoluzioni nella tecnologia – come la rivoluzione industriale che ha sostituito i cavalli con le automobili – possono rendere ciò che sembra impossibile oggi un luogo comune domani.
Una tale rivoluzione sta accadendo proprio ora. Tre delle scienze in più rapida crescita dei nostri giorni – biotecnologia, nanotecnologia e informatica – stanno convergendo per dare agli scienziati un controllo senza precedenti della materia su scala molecolare. Da questa corsa all’oro intellettuale sta emergendo una nuova classe di materiali con proprietà stupefacenti che suonano più a casa in un romanzo di fantascienza che sul banco di lavoro del laboratorio.
Immaginate, per esempio, una sostanza con 100 volte la forza dell’acciaio, ma solo 1/6 del peso; materiali che guariscono istantaneamente quando si bucano; superfici che possono “sentire” le forze che premono su di loro; fili ed elettronica piccoli come molecole; materiali strutturali che generano e conservano anche elettricità; e liquidi che possono passare istantaneamente al solido e indietro a volontà. Tutti questi materiali esistono oggi… e altri sono in arrivo.
Con questi materiali sbalorditivi a portata di mano, costruire il miglior veicolo spaziale comincia a non sembrare così inverosimile, dopo tutto.
Peso uguale denaro
La sfida della prossima generazione di veicoli spaziali dipende da alcune questioni principali. Il primo e più importante, naturalmente, è il costo.
“Anche se tutti gli ostacoli tecnici fossero risolti oggi, l’esplorazione del nostro sistema solare ha ancora bisogno di essere conveniente per essere pratica”, dice il dottor Neville Marzwell, responsabile della tecnologia aerospaziale rivoluzionaria per il Next Decadal Planning Team della NASA.
Abbassare il costo del volo spaziale significa principalmente ridurre il peso. Ogni chilo tagliato è un chilo che non avrà bisogno di propulsione per sfuggire alla gravità della Terra. Navi spaziali più leggere possono avere motori più piccoli ed efficienti e meno carburante. Questo, a sua volta, fa risparmiare più peso, creando così una spirale benefica di risparmio di peso e riduzione dei costi.
Destra: Questo razzo lunare Saturn V a pieno carico pesava 6,2 milioni di sterline. Era pesante e costoso da lanciare.
La sfida è quella di tagliare il peso aumentando la sicurezza, l’affidabilità e la funzionalità. Non basterà eliminare delle parti.
Gli scienziati stanno esplorando una serie di nuove tecnologie che potrebbero aiutare i veicoli spaziali a dimagrire. Per esempio, i materiali gossamer – che sono pellicole ultrasottili – potrebbero essere usati per antenne o pannelli fotovoltaici al posto dei componenti più ingombranti usati oggi, o anche per vaste vele solari che forniscono la propulsione con una massa di soli 4-6 grammi per metro quadrato.
I materiali compositi, come quelli usati nelle racchette da tennis in fibra di carbonio e nelle mazze da golf, hanno già fatto molto per aiutare a ridurre il peso nei progetti aerospaziali senza compromettere la forza. Ma una nuova forma di carbonio chiamata “nanotubo di carbonio” promette un notevole miglioramento dei compositi: I migliori compositi hanno 3 o 4 volte la forza dell’acciaio in peso – per i nanotubi, è 600 volte!
“Questa forza fenomenale deriva dalla struttura molecolare dei nanotubi”, spiega Dennis Bushnell, uno scienziato capo al Langley Research Center (LaRC), il centro di eccellenza della NASA per le strutture e i materiali. Sembrano un po’ come dei fili di pollo arrotolati in un cilindro con atomi di carbonio seduti ad ogni angolo dell’esagono.
In genere i nanotubi hanno un diametro compreso tra 1,2 e 1,4 nanometri (un nanometro è un miliardesimo di metro), che è solo circa 10 volte il raggio degli stessi atomi di carbonio.
Sopra: Il reticolo di atomi di carbonio in un nanotubo di carbonio è come una lavagna per appendere altri tipi di atomi e molecole per dare al nanotubo speciali proprietà chimiche, elettriche o termiche. Copyright Prof. Vincent H. Crespi, Dipartimento di Fisica Pennsylvania State University.
I nanotubi sono stati scoperti solo nel 1991, ma già l’intenso interesse della comunità scientifica ha fatto avanzare enormemente la nostra capacità di creare e utilizzare i nanotubi. Solo 2 o 3 anni fa, i nanotubi più lunghi che erano stati realizzati erano lunghi circa 1000 nanometri (1 micron). Oggi, gli scienziati sono in grado di far crescere tubi lunghi fino a 200 milioni di nanometri (20 cm). Bushnell nota che ci sono almeno 56 laboratori in tutto il mondo che stanno lavorando per produrre in massa questi minuscoli tubi.
“Si stanno facendo grandi passi avanti, quindi la produzione di materiali sfusi usando i nanotubi probabilmente avverrà”, dice Bushnell. Quello che non sappiamo è quanto di questo 600 volte la forza dell’acciaio in peso si manifesterà in un materiale sfuso”. Eppure, i nanotubi sono la nostra migliore scommessa.”
Destra: La resistenza alla trazione dei nanotubi di carbonio supera di gran lunga quella di altri materiali ad alta resistenza. Si noti che ogni incremento sull’asse verticale è una potenza di 10.
Oltre ad essere semplicemente forti, i nanotubi saranno probabilmente importanti per un’altra parte del piano di perdita di peso del veicolo spaziale: materiali che possono servire più di una sola funzione.
“Eravamo abituati a costruire strutture che erano solo stupidi supporti a peso morto per parti attive, come sensori, processori e strumenti”, spiega Marzwell. “Ora non ne abbiamo bisogno. Il supporto può essere parte integrante e attiva del sistema.”
Immaginate che il corpo di un veicolo spaziale possa anche immagazzinare energia, eliminando la necessità di pesanti batterie. O che le superfici potrebbero piegarsi da sole, eliminando gli attuatori separati. O che i circuiti potrebbero essere incorporati direttamente nel corpo del veicolo spaziale. Quando i materiali possono essere progettati su scala molecolare, tali strutture olistiche diventano possibili.
Pelle per veicoli spaziali
Gli esseri umani possono sentire anche la più piccola puntura di spillo in qualsiasi punto del loro corpo. Si tratta di un’incredibile attività di auto-monitoraggio, possibile perché la pelle contiene milioni di microscopiche terminazioni nervose e nervi che trasportano i segnali al cervello.
Similmente, i materiali che compongono i sistemi critici di una nave spaziale potrebbero essere incorporati con sensori su scala nanometrica che monitorano costantemente le condizioni dei materiali. Se qualche parte sta cominciando a cedere – cioè “si sente male” – questi sensori potrebbero avvertire il computer centrale prima che la tragedia colpisca.
Fili molecolari potrebbero portare i segnali di tutti questi sensori intrecciati al computer centrale, evitando la mole poco pratica di milioni e milioni di fili attuali. Anche in questo caso, i nanotubi potrebbero essere in grado di svolgere questo ruolo. Convenientemente, i nanotubi possono agire come conduttori o semiconduttori, a seconda di come sono fatti. Gli scienziati hanno fatto fili molecolari di altre molecole allungate, alcune delle quali si auto-assemblano naturalmente in configurazioni utili.
A sinistra: Questo materiale piezoelettrico, sviluppato al Langley Research Center (LaRC) della NASA, può “sentire” deformazioni come la flessione o la pressione superficiale, producendo una piccola tensione in risposta che può agire come segnale per un computer centrale. Immagine per gentile concessione del progetto Morphing della NASA al LaRC.
La tua pelle è anche in grado di guarire da sola. Che ci crediate o no, alcuni materiali avanzati possono fare la stessa cosa. I materiali autorigeneranti fatti di molecole a catena lunga chiamate ionomeri reagiscono a un oggetto penetrante come un proiettile chiudendosi dietro di esso. Le astronavi potrebbero usare tali pelli perché lo spazio è pieno di piccoli proiettili – pezzi di detriti in rapido movimento da comete e asteroidi. Se uno di questi oggetti grandi come sabbia o sassi dovesse forare l’armatura della nave, uno strato di materiale auto-riparatore manterrebbe la cabina a tenuta d’aria.
I meteoriti non sono l’unico pericolo; anche lo spazio è pieno di radiazioni. Le astronavi in orbita terrestre bassa sono sostanzialmente protette dal campo magnetico del nostro pianeta, che forma una bolla sicura larga circa 50.000 km centrata sulla Terra. Oltre quella distanza, tuttavia, le eruzioni solari e i raggi cosmici rappresentano una minaccia per i viaggiatori spaziali.
Destra: Un brillamento solare fa esplodere radiazioni energetiche nello spazio.
Gli scienziati stanno ancora cercando una buona soluzione. Il trucco è quello di fornire una schermatura adeguata senza aggiungere un sacco di peso extra al veicolo spaziale. Alcuni materiali leggeri per la schermatura dalle radiazioni sono attualmente in fase di test in un esperimento chiamato (MISSE) a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. Ma questi da soli non saranno sufficienti.
Il vero cattivo è la radiazione cosmica galattica (GCR) prodotta nelle lontane esplosioni di supernova. Consiste, in parte, di ioni positivi molto pesanti – come i nuclei di ferro – che viaggiano a grande velocità. La combinazione di alta massa e alta velocità rende queste piccole “palle di cannone” atomiche molto distruttive. Quando perforano le cellule nel corpo delle persone, possono distruggere il DNA, portando a malattie e persino al cancro.
“Si scopre che i peggiori materiali che si possono usare per schermare il GCR sono i metalli”, nota Bushnell. Quando un raggio comico galattico colpisce un atomo metallico, può frantumare il nucleo dell’atomo — un processo simile alla fissione che avviene nelle centrali nucleari. La radiazione secondaria prodotta da queste collisioni può essere peggiore del GCR che il metallo era destinato a schermare.
Ironicamente, gli elementi leggeri come l’idrogeno e l’elio sono la migliore difesa contro questi bruti GCR, perché le collisioni con loro producono poca radiazione secondaria. Alcuni hanno suggerito di circondare gli alloggi della nave con un serbatoio di idrogeno liquido. Secondo Bushnell, uno strato di idrogeno liquido spesso da 50 a 100 cm fornirebbe una schermatura adeguata. Ma il serbatoio e il sistema criogenico sarebbero probabilmente pesanti e scomodi.
Anche qui, i nanotubi potrebbero essere utili. Un reticolo di nanotubi di carbonio può immagazzinare idrogeno ad alta densità, e senza bisogno di freddo estremo. Quindi, se il nostro veicolo spaziale del futuro utilizza già i nanotubi come materiale strutturale ultraleggero, quei tubi potrebbero anche essere caricati con idrogeno per servire da schermatura contro le radiazioni? Gli scienziati stanno esaminando la possibilità.
Sinistra: Quando i raggi cosmici ad alta energia si scontrano con il DNA degli astronauti, possono causare danni che portano a tumori o altre malattie indotte dalle radiazioni. Immagini per gentile concessione dell’Office of Biological and Physical Research della NASA.
Facendo un ulteriore passo avanti, gli strati di questo materiale strutturale potrebbero essere rivestiti con atomi di altri elementi che sono bravi a filtrare altre forme di radiazione: boro e litio per gestire i neutroni, e alluminio per assorbire gli elettroni, per esempio.
Camping Out in the Cosmos
La superficie della Terra è per lo più sicura dalle radiazioni cosmiche, ma altri pianeti non sono così fortunati. Marte, per esempio, non ha un forte campo magnetico globale per deviare le particelle di radiazione, e la sua coltre atmosferica è 140 volte più sottile di quella terrestre. Queste due differenze rendono la dose di radiazioni sulla superficie marziana circa un terzo dell’intensità dello spazio aperto non protetto. I futuri esploratori di Marte avranno bisogno di una schermatura contro le radiazioni.
“Non possiamo portare con noi la maggior parte dei materiali per un rifugio a lungo termine a causa del peso. Quindi una cosa su cui stiamo lavorando è come fare materiali che schermino le radiazioni dagli elementi che troviamo lì”, dice Sheila Thibeault, una scienziata del LaRC specializzata nella schermatura dalle radiazioni.
Destra: Gli astronauti che si accampano su Marte avranno bisogno di protezione dalle radiazioni spaziali. Image credit:Frassanito and Associates, Inc.
Una possibile soluzione sono i “mattoni di Marte”. Thibeault spiega: “Gli astronauti potrebbero produrre mattoni resistenti alle radiazioni da materiali disponibili localmente su Marte, e usarli per costruire rifugi”. Potrebbero, per esempio, combinare la sabbia simile al “regolith” che copre la superficie marziana con un polimero fatto in loco da anidride carbonica e acqua, entrambi abbondanti sul pianeta rosso. Zapping questa miscela con le microonde crea mattoni dall’aspetto plastico che raddoppiano come una buona schermatura contro le radiazioni.
“Usando le microonde, possiamo fare questi mattoni rapidamente usando poca energia o attrezzature”, spiega. “E il polimero che useremmo si aggiunge alle proprietà di schermatura dalle radiazioni del regolith.”
I ripari marziani avrebbero bisogno dell’affidabilità dei materiali autosensibili, della durata dei materiali autorigeneranti e del risparmio di peso dei materiali multifunzionali. In altre parole, una casa su Marte e un buon veicolo spaziale hanno bisogno di molte delle stesse cose. Tutte queste cose sono prese in considerazione dai ricercatori, dice Thibeault.
La gente a casa
Materiali avanzati sbalorditivi torneranno utili anche sulla Terra.
“La ricerca della NASA è certamente concentrata sui veicoli aerospaziali”, nota Anna McGowan, manager del Morphing Project della NASA (uno sforzo di ricerca sui materiali avanzati al Langley Research Center). “Tuttavia, la scienza di base potrebbe essere utilizzata in molti altri settori. Ci potrebbero essere milioni di ricadute.”
Sinistra: Realizzati con materiali intelligenti, gli aerei di domani potrebbero avere ali che si piegano da sole e funzionano senza flap – riducendo così la resistenza e abbassando i costi del carburante.
Ma non ancora. La maggior parte dei materiali avanzati manca della raffinatezza ingegneristica necessaria per un prodotto lucido e robusto. Non sono pronti per la prima serata. Anche così, dicono i ricercatori, è solo una questione di tempo: Alla fine quel venditore di auto smetterà di ridere… e inizierà a vendere la tua macchina dei sogni dell’era spaziale.
Web Links
Buck Rogers, stai attento! — Articolo di Science@NASA: I ricercatori della NASA stanno studiando insetti e uccelli, e usando materiali “intelligenti” con proprietà sorprendenti per sviluppare nuovi e strabilianti progetti di aerei.
Campioni del futuro — Articolo di Science@NASA: Le navi spaziali avanzate di domani saranno costruite con materiali fuori dal comune con una straordinaria resistenza al duro ambiente dello spazio. Il Materials International Space Station Experiment (MISSE) mira a scoprire quali materiali funzionano meglio.
Destra: Sullo sfondo del sole nascente, MISSE sporge nello spazio fuori dalla Stazione Spaziale Internazionale.
Scavare e mettersi al riparo — Articolo di Science@NASA: La terra lunare e marziana potrebbe fornire una schermatura contro le radiazioni per gli equipaggi delle future missioni. Vedi anche “Making Mars Bricks.”
Center for Nanotechnology (CNT) — all’Ames Research Center della NASA.
Necessità di missioni future — elenco delle tecnologie necessarie per la futura esplorazione spaziale e alcune possibili soluzioni, dal CNT.
Nanotube Links: Nanotubi & Buckyballs (Nanotechnology Now); Nanotubi di carbonio (Penn State University); Johnson Space Center Nanotube Project (NASA).
Ricerca nell’elettronica molecolare: un transistor su scala nanometrica da IBM; un semplice gate logico fatto da nanofili; un nanotubo personalizzabile per fili o strutture dalla Purdue University.
Tempo spaziale su Marte — articolo di Science@NASA: I futuri esploratori umani di Marte possono lasciare i loro ombrelli sulla Terra, ma forse non dovrebbero dimenticare i loro contatori Geiger! Un esperimento della NASA in viaggio verso il Pianeta Rosso mira a scoprirlo.
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