Se vi piace la fantascienza avrete sicuramente incontrato almeno una volta, in qualche film o libro, un’astronave i cui abitanti camminano tranquillamente sul pavimento come fossero sulla Terra.
“E che problema c’è? – si chiederanno i più – avranno la gravità artificiale, no?”
In effetti l’idea che la tecnologia possa permetterci di simulare una forza di gravità anche in orbita o nello spazio interstellare, magari premendo un semplice pulsante, è praticamente onnipresente nella fantascienza; peccato che troppo spesso si tratti di vere e proprie assurdità.
Vediamone qualcuna e poi cerchiamo di capire cosa si può fare in realtà.
Tanto per cominciare: se siamo già capaci di “accendere/spegnere” una calamita con un semplice apparecchio elettrico, perché non possiamo immaginare di poter fare lo stesso attirando tutto quel che c’è a bordo di un mezzo di trasporto verso il pavimento? La risposta è piuttosto complicata ma si può riassumere a grandi linee abbastanza semplicemente. Siamo in grado di manipolare campi magnetici ed elettrici fondamentalmente perché abbiamo una teoria che ne descrive il comportamento e conosciamo la particella che sta alla base di quel tipo di interazioni: il fotone.
Questa teoria, chiamata “modello standard”, cerca di spiegare anche la gravità, ma per funzionare richiede l’esistenza di una specifica particella, chiamata gravitone che però sfortunatamente nessuno ha ancora mai scoperto; per quanto ne sappiamo potrebbe tranquillamente non esistere…
Per aggirare questa mancanza, c’è chi ha ipotizzato che, sfruttando una delle conseguenze della Relatività Generale, potrebbe essere possibile creare la gravità utilizzando dei campi elettromagnetici (qui lo studio teorico) ma sembra che non si tratti di un metodo efficace e comunque sarebbe ancora tutto da sperimentare.
Certo, il bello della fantascienza è che può immaginare che alcune scoperte siano già avvenute, ma è lecito immaginare che difficilmente un’ipotetica macchina per la gravità artificiale potrà mai assomigliare a un apparecchio elettromagnetico.
Ecco allora che tante scene di saghe anche molto famose, come “Star Trek”, “Star Wars”, “Alien” ecc… (dove tutto cade verso il “basso”, anche in navicelle molto piccole) perdono parte del loro fascino.
Tranquilli, c’è di peggio.
In alcuni film o serie tv si dà corda a una credenza piuttosto diffusa ma sbagliatissima che avevo trattato anni fa in un mio vecchio blog e cioè l’idea che la gravità sia in qualche modo legata alla presenza di aria! Ho in mente in particolare ”The 100”, una recente serie tv che non mi è dispiaciuta ma che è piena di assurdità scientifiche, anche sul tema di questo articolo. In varie scene si vede infatti che gli abitanti di una stazione spaziale orbitante o di un’astronave iniziano a galleggiare in assenza di peso quando per qualche motivo la cabina in cui si trovano viene depressurizzata o comunque viene a mancare l’aria come se la gravità avesse qualcosa a che fare con l’atmosfera. Tutto questo è assurdo…
Cosa dovrebbe fare allora un regista per far contento un fisico (o per lo meno far contento me)?
Dovrebbe provare a rappresentare le navi o le stazioni spaziali tenendo conto che, per quanto ne sappiamo, l’unico modo per generare una gravità simulata di lunga durata è sfruttare l’accelerazione centripeta.
Il meccanismo è piuttosto semplice: la stazione dovrebbe essere costruita a forma di anello in cui il “pavimento” è costituito dalla parte interna più lontana dal centro. Quando questa struttura viene messa in rotazione, ecco che chi si trova a bordo sente su di sé un’accelerazione uguale e opposta all’accelerazione centripeta e questa di fatto funge da gravità apparente.
Il principio è lo stesso che permette a una motocicletta di percorrere un giro della morte senza staccarsi dalla pista, come accade in alcuni spettacoli.
Se la struttura è composta da due anelli concentrici, come in figura, allora ogni anello avrebbe una diversa gravità artificiale in quanto, come vedremo tra poco, l’effetto aumenta se ci si trova più lontani dal centro.
Per fare anche qui un paragone cinematografico, queste soluzioni sono state mostrate in film come “Interstellar”, “The Martian” e anche il più vecchio “2001: Odissea nello spazio”. Indipendentemente dal fatto che questi film mi siano piaciuti o meno, ne ho certamente apprezzato il rispetto per le leggi fisiche. Anche in “The 100“ le stazioni in effetti sono a forma di anello ma stavolta questo dettaglio non può che aumentare la delusione…
Ma prima di concludere, è il momento di fare qualche conto!
L’accelerazione centripeta si calcola con la formula
dove ω è la velocità angolare (cioè l’angolo percorso diviso per il tempo impiegato) e r il raggio della circonferenza. Immaginiamo una stazione con un raggio di 50 metri (quindi con un diametro non molto diverso dalla massima lunghezza dell’attuale ISS: 108 metri se consideriamo tutta la struttura). Per avere una gravità artificiale terrestre avremmo bisogno di far girare la stazione con una ω di 0,443 rad/s che corrisponde a circa 4,2 rpm (giri al minuto). Per capire di cosa si sta parlando dobbiamo immaginarci di vedere qualcosa di grande più o meno come una pista di atletica che gira su se stessa 4 volte in un minuto.
Non si tratta di una cosa irrealizzabile, ma occorre rendersi conto che poiché questa accelerazione di gravità dipende dalla distanza dal centro avremmo diverse accelerazioni in diversi punti del corpo di un astronauta! Se consideriamo una persona alta 1 metro e 70 avremmo che i suoi piedi si trovano a 50 metri dal centro di rotazione ma la sua testa si trova a 48,3 metri per cui sei i suoi piedi sentono un’accelerazione di 9,8 m/s^2 (come quella di gravità) la sua testa sentirà un’accelerazione di 9,47 m/s^2. Questa differenza non è enorme ma può essere sufficiente a generare malesseri (vertigini, nausea, ecc…) e inoltre si verificherebbero dei problemi facendo movimenti rapidi in direzione radiale (ad esempio alzarsi in piedi velocemente) perché entrerebbe in gioco la forza di Coriolis che sposterebbe la testa del malcapitato in direzione trasversale al moto. Se volete capire il perché potete trovare nei link in fondo una spiegazione più dettagliata di questa forza.
In generale si assume che una velocità angolare sopra i 2 rpm inizi ad essere fastidiosa ma sotto opportune condizioni anche valori più elevati dovrebbero essere tollerabili (qui lo studio).
Per risolvere questo problema si dovrebbe aumentare il raggio costruendo un anello più grande o in alternativa rallentare la rotazione e accontentarsi quindi di un’accelerazione inferiore a quella terrestre. Ruotando a circa 2 rpm ad esempio si otterrebbe a 50 metri dal centro una gravità vicina al 24% di quella terrestre: bassa ma pur sempre più alta di quella lunare e in ogni caso permetterebbe di vivere agevolmente durante la permanenza all’interno.
Tornando al cinema, l’astronave “Endurance” di “Interstellar” ha un diametro di 64 metri, per cui, per non generare i problemi di cui abbiamo parlato, dovrebbe essere impostata per creare sul bordo una gravità artificiale molto simile a quella della Luna.
Per approfondire:
- How Current Loops and Solenoids Curve Space-time: https://arxiv.org/pdf/1504.00333v3.pdf
- Dati tecnici della nave Endurance (dal film “Interstellar”) : https://phys.org/news/2019-07-artificial-gravity-free-science-fiction.html
- Studio sugli effetti della rotazione sul corpo umano: https://www.researchgate.net/publication/318471827_Space_Settlement_Population_Rotation_Tolerance
Roberto Virzi
Ha studiato Astrofisica a Milano e subito dopo ha iniziato a svolgere il suo mestiere preferito: insegnare Matematica e Fisica nelle scuole superiori. Altre grandi passioni: la sua famiglia, le gite in montagna e la divulgazione scientifica.