La propulsione chimica nello Spazio si è dimostrata finora affidabile e ormai con una lunga storia di applicazioni (più o meno) riuscite. Si tratta di una soluzione che ha diversi vantaggi ma anche con limiti evidenti per missioni che si spingono oltre la Luna e Marte, soprattutto quando è coinvolto un equipaggio. La NASA sta puntando sulla propulsione nucleare con il progetto Space Reactor-1 Freedom (nucleare elettrico) e anche la Russia sta guardando in una direzione simile. Altre soluzioni sono allo studio e potrebbero arrivare tra diversi anni. Tra queste c’è la propulsione ottica e in particolare quella basata su metajet.
Come scritto, applicazioni reali di questa tecnologia sono ancora ben lontane, ma gli studi preliminari sono comunque incoraggianti. Una delle ultime novità riguardanti la la propulsione ottica e i metajet arriva da uno studio della Texas A&M University e della Northeastern University con il titolo di Optical propulsion and levitation of metajets.
La propulsione ottica e i metajet per le future navicelle spaziali
L’idea alla base non è nuova. Si tratta di una tecnologia che si potrebbe integrare con quella delle “vele solari” che sono già state sperimentate nello Spazio ma la loro capacità rimane attualmente limitata per quanto riguarda la massa trasportabile e quindi il carico utile.
Nello studio si parla invece di una tecnologia di manipolazione ottica basata su metasuperfici ingegnerizzate che potrebbero essere impiegate sia nella microrobotica ma anche per le vele interstellari. Una delle problematiche, quando si tratta di muoversi nello Spazio, è riuscire a controllare i movimenti di un’ipotetica navicella. Con le metodiche tradizionali ci si riusciva a muovere lateralmente o in verticale, ma non simultaneamente.
I ricercatori hanno cercato di unire la seconda legge di Newton con la legge di Snell generalizzata utilizzando metamateriali. In particolare si tratta di sviluppare dei metajet e quindi superfici che presentano dei pilastri su scala nanometrica realizzati in ossido di silicio con un’altezza di 500 nm. Queste strutture tridimensionali sono riunite in gruppi e ogni gruppo forma una supercella che produce una rifrazione anomala con un angolo controllato. All’interno di una supercella ci possono essere da 3 a 8 pilastri regolando così sia l’angolo di rifrazione sia l’efficienza.
Come scritto sopra, siamo ben lontani da un’applicazione reale di queste tecnologie, soprattutto in ambito aerospaziale. Gli esperimenti condotti in laboratorio, utilizzando un laser pulsato da 1000 nm, ha mostrato come i metajet si spostassero in direzione opposta a quella della fonte. Interessante notare che i movimenti avvengono sia lateralmente che verticalmente, superando i limiti della manipolazione ottica utilizzata finora.
Sembra che attualmente la migliore combinazione si ottenga con una struttura a 3 pilastri che ha un’efficienza di rifrazione di circa il 78% con angolo di rifrazione di circa 40° e una velocità di propulsione di 7 μm/s (si tratta pur sempre di dispositivi molto piccoli). La potenza ottica sembra essere l’elemento fondamentale dal quale dipendono le prestazioni e non le dimensioni del dispositivo.
La tecnologia legata ai laser in ambito spaziale sta vivendo un periodo decisamente interessante legato per lo più alla possibilità di superare la trasmissione di informazioni attraverso le onde radio. I progressi tecnologici che coinvolgono lo sviluppo di laser che funzionano su navicelle spaziali e sistemi di puntamento sempre più precisi potrebbero però essere utili anche nel caso della propulsione ottica e dei metajet con applicazioni reali. Una stima realistica di quando potremo vedere le prime soluzioni su scala più grande è ancora complicata da realizzare, ma si tratterà quasi sicuramente di decenni. Nel frattempo la propulsione chimica potrebbe essere impiegata per le missioni verso la Luna e Marte, accoppiata alla propulsione nucleare (termica o elettrica), ancora più avanti però la propulsione ottica potrebbe aprire prospettive che vanno oltre il Sistema Solare interno, verso lo Spazio interstellare.