Russian cosmonaut Oleg Kononenko, a member of the International Space Station (ISS) expedition 58/59, attends his final exam at the Gagarin Cosmonauts' Training Centre in Star City outside Moscow on November 14, 2018. - Russian cosmonaut Oleg Kononenko, NASA astronaut Anne McClain and David Saint-Jacques of the Canadian Space Agency are preparing for the launch onboard the Soyuz MS-11 spacecraft from the Russian-leased Kazakh Baikonur cosmodrome on December 3, 2018. (Photo by STR / AFP)

Funziona davvero il motore per astronavi EmDrive?

EmDrive. ElectroMagnetic Drive. In italiano traducibile come guida elettromagnetica. Sembra un termine uscito dalla mente di George Lucas per la sua saga di Guerre Stellari ma alla Nasa – e non solo – c’è chi ha testato la possibilità di dotare le astronavi del futuro di un motore a impulsi elettromagnetici.

Prima di addentrarci nella descrizione del principio della propulsione EmDrive, che è ritenuta andare contro le leggi della fisica classica in quanto infrange la legge di conservazione della quantità di moto come vedremo, occorre precisare che la ricerca spaziale sta sondando tutti i campi della fisica per cercare nuovi sistemi di propulsione in grado di ovviare al problema principale della missilistica odierna: la quantità di propellente necessaria per viaggiare nello spazio.

Il problema non è da poco: un razzo classico a combustibile solido o liquido abbisogna di notevoli quantità di carburante per accelerare il vettore in modo da sfuggire al campo gravitazionale terrestre e per rallentare una volta raggiunta la sua destinazione. Se questo sistema andava bene per l’esplorazione del nostro “giardino di casa” (orbita terrestre e Luna), questo sistema non è affatto consigliabile per portare l’uomo o grossi carichi nello spazio interplanetario anche in considerazione delle velocità massime raggiungibili, troppo basse per rendere il viaggio accettabile in termini di tempo impiegato.

Il principio dell’EmDrive

Il principio alla base del motore EmDrive è molto semplice: si tratta di un propulsore che utilizza la radiazione elettromagnetica confinata in una cavità a microonde.

A differenza dei motori tradizionali, come quelli a razzo e a ioni che espellono massa per generare spinta, l’EmDrive utilizza solo la corrente elettrica per generare movimento nello spazio. 

Le prime ricerche fatte alla Nasa in questo campo si devono a Roger Shawyer e risalgono al 2001. Lo scienziato ha costruito un motore a impulsi Em di forma a tronco di cono con all’estremità più stretta una sorgente di energia elettromagnetica – un magnetron – che bombarda di microonde la cavità. Le onde restano confinate nel cono e rimbalzano tra le sue pareti creando una risonanza elettromagnetica. Dato lo sbilanciamento di questa risonanza dovuto alla geometrica complessa del tronco di cono, il campo magnetico che si crea diventa “direzionabile” ovvero è anisotropo, non più spazialmente “omogeneo”. In questo modo il campo magnetico genera una spinta nella direzione della parte larga del tronco di cono proprio come l’ugello di un classico motore a razzo. 

La piccola, ma costante spinta così generata è sufficiente per accelerare nel vuoto dello spazio un’astronave sino a velocità tali da rendere conveniente a livello di tempo l’esplorazione dello spazio interplanetario, il tutto sfruttando solo pochi Watt di energia elettrica.

Le prestazioni del motore EmDrive dipendono dal materiale con cui è fatto il tronco di cono e dalla temperatura. Il materiale, infatti, deve ridurre a zero l’assorbimento della radiazione Em generata e al tempo stesso non deve riscaldarsi, pertanto i sistemi EmDrive dovranno essere costruiti con un materiale superconduttore

Gli esperimenti della Nasa

La Nasa si è cimentata nella tecnologia EmDrive alla fine del 2016 ed i risultati sono stati deludenti. Il motore che doveva sconfiggere le leggi della fisica è stato sconfitto dalla fisica stessa fortemente legata al posto dove viviamo: la Terra.

Per una questione di cattivo isolamento i dati raccolti dalla Nasa non hanno portato a nessun risultato apprezzabile, né all’abbandono del principio. L’esperimento ha sì eliminato la maggior parte delle fonti di disturbo Em, ma ne ha generate di nuove e non controllabili, pertanto i risultati hanno evidenziato che non c’è una diretta e chiara correlazione tra l’energia immessa nel sistema e la spinta, che effettivamente si è generata.

L’esperimento tedesco sull’EmDrive

Anche in Germania si è proceduto successivamente a testare il principio dell’EmDrive con risultati altrettanto ambigui nonostante i maggior accorgimenti tecnici.

Alla Technische Universität di Dresda, un gruppo di ricercatori guidato da Martin Tajmar ha condotto esperimenti costruendo un propulsore EmDrive in una camera a vuoto in cui le variabili come fluttuazioni termiche, risonanze esterne ed altri possibili fattori che avrebbero potuto interferire nella spinta generata dall’impulso di corrente erano stati eliminati ma anch’essi non sono riusciti ad eliminare la principale fonte di disturbo: il campo magnetico terrestre. 

Quando l’apparecchio è stato messo sotto tensione, pur senza “schiacciare il bottone” della spinta si è notato che il meccanismo la stava comunque generando, cosa che non sarebbe dovuta succedere sulla scorta delle esperienze fatta alla Nasa. 

I ricercatori sono quindi giunti alla conclusione che questa spinta “parassita” è stata generata dall’interazione del campo magnetico della Terra con i circuiti messi sotto tensione.

I cinesi sono arrivati primi nella corsa all’EmDrive?

L’anno scorso un articolo comparso sui media che riprendeva l’annuncio fatto dal dottore Chen Yue, direttore del Cast (China Academy for Space Technologies), affermava che la Cina è riuscita con successo a testare il motore EmDrive e che un esperimento sarebbe stato presto condotto sulla stazione spaziale Tiangong-2.

Degli esperimenti cinesi però non si sa molto dato che tutto il programma è permeato dal più assoluto riserbo. Il dottore Yue si è limitato a dire alla televisione di Stato di Pechino che sono stati fatti notevoli progressi in tal senso.

Il silenzio che è calato sulla vicenda in quest’ultimo anno non è foriero di alcuna considerazione valida, in quanto potrebbe sia celare un risultato negativo sia essere dovuto ad un successo che significherebbe una rivoluzione nel campo dell’esplorazione spaziale.

Un motore EmDrive funzionante permetterebbe, infatti, di poter raggiungere Marte in soli 70 giorni consentendo di portarci anche un notevole carico, e quindi aprire una piccola porta verso l’esplorazione umana dello spazio interplanetario del nostro Sistema Solare – ammesso ovviamente che si risolvano i problemi relativi alle radiazioni solari.

Le problematiche dell’EmDrive

Oltre a quelle già indicate risulta evidente che la problematica principale sia quella relativa al fatto che tutti gli esperimenti sono stati fatti sulla Terra, quindi in un sistema che, limitatamente alle condizioni dell’esperimento, non è inerziale. Escludere il campo magnetico terrestre dal test sull’EmDrive è risultato, infatti, praticamente impossibile e forse per questo i cinesi pensano che effettuandolo nello spazio, sulla stazione orbitale Tiangong-2, si possa ovviare meglio a questo problema.

Lo stesso motore EmDrive non si sa come potrebbe comportarsi al di fuori dell’ombrello protettivo del campo magnetico terrestre. Questo infatti ci protegge dalle radiazioni del vento solare e un sistema così sensibile come l’EmDrive potrebbe venire vanificato dall’interazione dei suoi componenti con le particelle altamente cariche emesse dal Sole una volta superato il confine del nostro campo magnetico sulla via di Marte o degli altri Pianeti.

Sarebbe perciò necessaria una schermatura che non precludesse l’effetto della spinta. Schermatura necessaria anche per la sopravvivenza dell’equipaggio, fattore non da poco nell’economia di un viaggio interplanetario dove si deve trovare in giusto connubio tra pesi, capacità di spinta e sopravvivenza dei sistemi e dell’equipaggio.