Razzo a fotoni

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Un razzo a fotoni è un tipo di razzo ipotetico che usa per la propulsione la spinta generata dall'emissione di fotoni sfruttando il fenomeno della pressione di radiazione[1].

Generalità[modifica | modifica wikitesto]

I fotoni potrebbero essere prodotti da un generatore situato a bordo dell'astronave, come nel caso del razzo nucleare fotonico. Nei casi da manuale riguardanti questo tipo di razzo, la situazione ideale si ha quando tutto il propellente è convertito in fotoni, che vengono riuniti in un fascio concentrato e irradiati nella stessa direzione. Più realisticamente, bisogna tenere conto che il fascio di fotoni non sarebbe perfettamente collimato, che non tutto il propellente sarebbe convertito in fotoni e così via.

Il generatore di energia potrebbe essere costituito da un reattore nucleare a fissione o da un reattore nucleare a fusione; in questi casi la massima velocità raggiungibile sarebbe pari a un decimo della velocità della luce, valore troppo basso per effettuare viaggi interstellari in tempi ragionevoli[2].

Eugen Sänger ha proposto negli anni cinquanta di usare l'antimateria, sfruttando il processo di annichilazione fra elettroni e positroni. Questo processo produce fotoni gamma, che hanno un'energia maggiore dei fotoni visibili; secondo Sänger, un razzo spinto da questo tipo di fotoni potrebbe raggiungere una velocità vicina a quella della luce[3]. È stato calcolato che un razzo fotonico ad antimateria potrebbe raggiungere in un anno il 90% della velocità della luce, ma richiederebbe grandi quantità di propellente e consumerebbe un'energia di 475.000.000 di MW[4] (a titolo di paragone, si pensi che nel 2012 il consumo di energia elettrica in Italia è stato di circa 342.000.000 di MWh[5]). Ammettendo che si riesca a risolvere il problema della produzione e immagazzinamento delle necessarie quantità di antimateria, rimane il problema di concentrare e dirigere il fascio di fotoni e a tal fine Sänger ha proposto di usare uno specchio composto da un gas di elettroni posto ad un'estremità dell'astronave; la cabina dell'equipaggio sarebbe posta all'altra estremità dell'astronave, per avere protezione dalle radiazioni. È stato calcolato che lo specchio proposto da Sänger dovrebbe avere un diametro misurabile in chilometri; di conseguenza, le dimensioni totali del razzo sarebbero enormi[6]. La realizzazione di un razzo a fotoni di questo tipo è teoricamente fattibile, ma presenterebbe enormi problemi scientifici e tecnici la cui soluzione è molto al di là delle attuali tecnologie[7].

In altre ipotesi teoriche, i generatori di fotoni e l'astronave sono fisicamente separati. Nella propulsione alimentata da raggi laser, i fotoni sono indirizzati dal generatore all'astronave usando raggi laser, che forniscono la spinta. Questo tipo di propulsione laser è ancora poco efficiente e deve essere di molto migliorata prima di pensare che possa essere utilizzata per i viaggi interstellari[2].

Velocità[modifica | modifica wikitesto]

La velocità che un razzo fotonico ideale con generatore a bordo raggiungerà, in assenza di forze esterne, dipende dal rapporto:

dove è la massa iniziale e è la massa finale.

Il fattore gamma corrispondente a questa velocità ha la semplice espressione:

Derivazione[modifica | modifica wikitesto]

Si indica il quadrimpulso del razzo in riposo come , il razzo dopo che ha bruciato il propellente come , e il quadrimpulso dei fotoni emessi come . La conservazione del quadrimpulso implica che:

elevando al quadrato entrambi i lati (per es. prendendo il prodotto dello scalare di Lorentz di entrambi i lati con se stessi) si ottiene:

Secondo la relazione energia-momento, il quadrato del quadrimpulso è uguale al quadrato della massa e poiché tutti i fotoni si muovono nella stessa direzione. Perciò l'equazione sopra riportata può essere scritta come:

Risolvendo il fattore gamma, si ottiene:

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Propulsion Systems, by John W. McCormack.
  2. ^ a b Young K. Bae, Prospective of Photon Propulsion for Interstellar Flight, Y.K. Bae Corporation.
  3. ^ Nikos Prantzos, Our Cosmic Future: Humanity's Fate in the Universe, Cambridge University Press, 2000.
  4. ^ Frank H. Winter, Rockets into space, Harward University Press, 1993.
  5. ^ Dati statistici sull'energia elettrica in Italia, Terna, 2012.
  6. ^ A Photon Rocket, by G.G. Zel'kin.
  7. ^ There will be no photon rocket, by V. Smilga.

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]