Il sogno dell'ascensore verso le stelle può diventare realtà ?

Il concetto di un elevatore spaziale per portare in orbita astronauti e materiali è semplice. Immaginate un cavo ancorato alla Terra che si estende nello spazio e sui cui viaggiano degli ascensori. Il cavo rimane teso, se sufficientemente lungo (100 mila km, o anche meno con un contrappeso), grazie alle forze centrifughe imposte dalla rotazione terrestre che tendono a prevalere sull'attrazione gravitazionale, una volta superata l'orbita geostazionaria. L'idea fantascientifica ora si ripresenta in una versione che sfrutta i nanotubi di carbonia, e l'intuizione è tutta "Made in Italy". Il politecnico di Torino infatti studia l'idea, ma quanto è fattibile davvero?

Il problema principale del cavo, però, è che deve essere al contempo super-resistente e molto leggero. Da subito ci siamo appassionati al problema, perché la sua soluzione porterebbe a molte altre applicazioni, per esempio nell'ingegneria civile (per la realizzazione di ponti sospesi ad elevatissima luce, come quello di Messina). Nel caso dell'elevatore spaziale il ruolo del materiale è super-critico. Un cavo di acciaio, per esempio, dovrebbe sopportare una tensione massima - che si manifesterebbe in corrispondenza dell'orbita geostazionaria - circa 400 volte maggiore della sua resistenza, fatto evidentemente impossibile. Ma con il carbonio le cose stanno diversamente e sarebbe sufficiente un cavo di nanotubi con una resistenza anche minore della metà di quella ideale del nanotubo singolo.

Il problema, tuttavia, non si risolve con l'impiego dei nanotubi stessi. Le strutture, infatti, tendono a diventare più fragili con l'aumentare della dimensione strutturale, aumentando con questa anche la probabilità di presentare difetti di dimensione maggiore. E' uno dei motivi per cui le ciliegie nascono sugli alberi, mentre le zucche per terra. E a proposito di alberi, il tronco, a sezione crescente verso il basso, in cui il peso da sopportare diventa via via maggiore, suggerisce una soluzione simile proprio per il cavo dell'elevatore: un progetto «ad uniforme resistenza». Significa un cavo non a sezione costante, con una tensione variabile, ma uno a sezione variabile, tale che la tensione all'interno rimanga costante e si avvicini alla resistenza del materiale stesso, così da sfruttarlo al meglio. La geometria che risulta è una specie di «botte», con la sezione massima in corrispondenza dell'orbita geostazionaria.

Giocando sul rapporto tra la sezione massima e minima (che c’è in prossimità della superficie terrestre), è in teoria possibile progettare il cavo con qualsiasi materiale. In pratica, però, non è così: se si considera l'acciaio, questo rapporto dovrebbe essere enorme, nell'ordine di un milione di miliardi di miliardi di miliardi (un 1 seguito da 33 zeri): significa che, se il diametro fosse anche solo di un milionesimo di metro alla partenza, sulla Terra, non sarebbe sufficiente l'Universo conosciuto per contenere il cavo stesso. Tutto cambia, invece, per un cavo con la resistenza ideale di un nanotubo al carbonio: il rapporto, in questo caso, diventa pari solo a 2.

Tuttavia - come accennato - non è lecito attendersi che il megacavo non abbia problemi. La chiave di volta per progettarlo è quindi quella di valutare il difetto più critico che ci si può aspettare al suo interno e realizzarne uno «flaw-tolerant» (tollerante alla presenza del difetto): deve operare a una tensione di poco minore a quella necessaria per fare propagare il difetto stesso. E' una soluzione ispirata a quella con cui la Natura progetta i materiali biologici, come le ossa.

La rottura del cavo può essere innescata dalla frattura di un singolo nanotubo o in seguito allo scorrimento relativo tra due di essi. Per affrontare questi problemi, nel primo caso, occorre minimizzare i difetti strutturali, mentre nel secondo caso si deve massimizzare la superficie di interfaccia tra i nanotubi. E' da notare che una semplice «vacanza atomica» riduce la resistenza del singolo nanotubo di circa il 20%, un calcolo che - giustamente - minava la realizzabilità di un primo progetto che trascurava proprio il ruolo dei difetti. I nostri calcoli più recenti, invece, si concentrano sullo scorrimento tra i nanotubi (pubblicati sul «Journal of the Mechanics and Physics of Solids») e suggeriscono un'altra ipotesi: progettare cavi con nanotubi sufficientemente «grandi» da «auto-collassare» per effetto del confinamento, imposto dalle forze di van der Waals, da parte degli altri nanotubi. Le forze di van der Waals agiscono sul solido come la tensione superficiale in un liquido, creando così una pressione sul singolo nanotubo, che, quindi, può collassare a seguito di un'instabilità elastica, un po' come farebbe il guscio di un sommergibile a profondità troppo elevata per effetto dello schiacciamento imposto dalla pressione dell'acqua. Tuttavia lo schiacciamento - in questo caso - è benefico, perché genera una maggiore superficie di interfaccia tra i nanotubi, che tendono ad assomigliare a fogli di grafene in mutuo contatto, con un incremento di resistenza di circa il 30%: la conseguenza è la possibilità di progettare cavi di nanotubi collassati super-resistenti (30 volte l'acciaio) e leggeri (un terzo rispetto all'acciaio).

La soluzione appare al momento la più credibile: ecco perché è stato raggiunto il consenso sulla necessità di impiegare queste nostre strategie «flaw-tolerant». Il progetto di materiale e struttura del cavo dell'elevatore spaziale ha fatto un passo in avanti, grazie alla Scienza delle Costruzioni.

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Commenti: 11
  • #1

    Jack (lunedì, 07 marzo 2011 01:30)

    Il passo più importante di tutti per poter viaggiare e nel cosmo è l'abbattimento dei costi per i lanci e in questo modo il costo viene ridotto drasticamente (20000$ a persona contro i 2000000 attuali se non erro)! Mi auguro solo di poterne vedere realizzato uno prima di morire!!!

  • #2

    Patrizio (lunedì, 07 marzo 2011 14:24)

    @Tutti
    Leggetvi LIMIT di Frank Schatzing, libro bellissmo che parla di Luna, ascensori spaziali, Elio 3 ed impianti di estrazione sulla Luna, geopolitica eccc...veramente illuminante.

  • #3

    RINO (martedì, 08 marzo 2011 17:01)

    PRIMA CHE SUCCEDA SAI QUANTI ANNI DOVRANNO PASSARE...TANTI TANTI TANTI

  • #4

    Jack (mercoledì, 09 marzo 2011 12:46)

    i nano tubi di carbonio sono già una realtà da diverso tempo eh, il difficile per quanto ne sò, è stenderne di molto lunghi, secondo me nei prossimi 50 anni si perfezioneranno e saranno possibili, ma per il completamento di un progetto simile ci vorrà sicuramente uno sforzo incredibile e necessiterà di una cooperazione a livello internazionale

  • #5

    RetiredAFB (mercoledì, 09 marzo 2011 16:34)

    Io ci lavoro coi nanomateriali,e precisamente fullereni.Non credo che alcuna delle organizzazioni private che opera con questi simpatici materiali,avrà l'interesse di cooperare a livello internazionale..Chi ci arriverà prima,brevetterà,gli altri compreranno;non ci vorranno 50 anni,queste cose in teoria sono già fattibili ora(dico in teoria perchè la ricerca,a livello militare,è avanti almeno un centinaio d'anni a quella di cui possiamo disporre noi).

    @Patrizio:complimenti!Anch'io sto leggendo Limit,e più lo leggo,più mi pare sia plausibile...

  • #6

    Polimero57 (mercoledì, 09 marzo 2011 16:40)

    Sono teorie che fanno i titoli dei giornali ma non le tecnologie del futuro. Poi bisogna capire che non tutto quello che è possibile fare è conveniente fare. Usare un ascensore stellare è antieconomico, rischioso e non darebbe nessun ritorno. Se mai dovessimo riuscire ad arrivarci tecnologicamente fra 50 anni sicuramente avremmo altra tecnologie per dimezzare i tempi dei viaggi cosmici con motori al plasma o altro tipo di combustibili come l'idrogeno. Si è mai visto che per fare roma milano si usa un tubo gigante piuttosto che una macchina? ecco usiamo questo esempio in scala per capire il ragionamento.

  • #7

    RetiredAFB (mercoledì, 09 marzo 2011 17:16)

    E invece,per fare Roma-Milano usiamo anche dei bei tubi giganti,adagiati a terra su delle rotaie...prova a pensare a questo,in verticale.Sarà pure antieconomico adesso,perchè così ci vogliono far credere:quanti soldi vengono spesi in ricerca ogni anno?Credo meno di quelli che raccoglie un dj a fare una serata...L'idrogeno già è usato attualmente come combustibile per i razzi,perciò nulla di nuovo.I motori al plasma(o meglio,un propulsore magnetoplasmadinamico)potrebbero dare un impatto di novità,ma per ora restano molto meno potenti dei motori a razzo tradizionali.

  • #8

    Jack (mercoledì, 09 marzo 2011 18:13)

    Ma quale antieconomico O.o! Antieconomico è il metodo a combustione chimica utilizzato nei razzi attuali, perchè mandare 1kg di attrezzatura nello spazio costa 20mila dollari! Un solo kg quindi non dirmi che non è conveniente. E per info la propulsiona ionica, quella che tu chiami propulsione al plasma (idrogeno ionizzato) non può essere utilizzate per lasciare l'atmosfera, perchè permette una velocità max elevata ma la spinta è lenta, impiega molto tempo ed utilizzabile solo nel vuoto dello spazio.

  • #9

    Polimero57 (mercoledì, 09 marzo 2011 20:29)

    RetiredAfb è antieconomico perchè le rotaie ammortizzano i costi su milioni di passeggeri, l'ascensore stellare andrebbe a regime con qualche viaggio ogni tanto. Inoltre come prototipo per anni sarebbe sicuramente in perdita, soggetto a contrattempi e pericoloso. Basterebbe un superbrillamento solare o un super raggio gamma per mandarlo ko.
    Per quanto riguarda il motore al plasma ha moltissima vantaggi:
    Impulso e spinta specifici variabili ad potenza massima
    Isolamento magnetico.
    Densità di alta potenza.
    Accelerazione continua (g artificiale molto basso).
    Heating di risonanza del ciclotrone dello ione di alta efficienza(ICRH), ad alta tensione e basso corrente.
    Possibilità per le terminazioni alimentate di missione.
    Tutto questo non è fantascienza ma ha un nome Magnetoplasma di impulso (VASIMR), un motore del plasma che è stato teorizzato per anni dalla nasa.


    Il sistema di propulsione è adattabile ritardare, missioni robot del
    carico dell' alto carico utile così come i trasferimenti veloci e
    più bassi dell'essere umano del carico utile.

  • #10

    RetiredAFB (mercoledì, 09 marzo 2011 20:53)

    Lo so bene,il mio era solo un esempio..e comunque se venisse implementata la tecnologia del collassamento dei nanotubi al carbonio,diventerebbero vantaggiosi pure gli "ascensori stellari".
    E ribadisco ciò che ha sottolineato giustamente Jack:a causa delle proprie necessità energetiche relativamente elevate(poichè ci vuole un generatore elettrico da almeno 200KW per ionizzare il propellente),e data la potenza specifica delle fonti energetiche,i "motori ionici" sono considerati convenienti solo per applicazioni di propulsione spaziale.

  • #11

    Jack (mercoledì, 09 marzo 2011 22:24)

    Sicuramente la propulsione a ioni è preferibile a quella che utilizza il vento solare secondo me. Quest'ultima man mano che ci si allontana dal sole diminuisce menntre la propulsione ionica è indipendente e il "combustibile" (l'idrogeno) viene reperisto nello spazio interplanetario, in quanto elemento più diffuso nell'universo può essere facilmente sfruttato. Ho letto e visto varie sperimentazioni su internet riguardo questa possibilità, per quanto riguarda i pregi gli ha gia elencati Polimero e anche wikipedia ha qualche documentazione a riguardo. Allo stesso modo ho visto alcuni progetti e interviste riguardo l'ascensore orbitale e la possibilità di realizzazione, tra cui il tipo di spinta, che non sarebbe a rotaia ma a microonde se non ricordo male da una piattaforma situata a terra. E per correggere Polimero che ha ignorato la mia argomentazione di prima, se un "super raggio gamma" arrivasse a colpire l'ascensore, il suo funzionamento sarebbe l'ultimo dei nostri problemi fidati ^^! cmq http://www.youtube.com/watch?v=26GbvU15HyI , http://www.youtube.com/watch?v=M_BxaXvAhgw vi invito a vedere questo.