Razzi Spinti dai Laser: Vi Racconto i Nostri Esperimenti di Volo e Tracciamento!

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante, ai confini della tecnologia spaziale. Immaginate di poter lanciare satelliti nello spazio senza usare i tradizionali, costosi e complessi razzi chimici. Sembra fantascienza? Beh, non del tutto! Stiamo parlando di propulsione laser, un’idea che potrebbe rivoluzionare il modo in cui accediamo all’orbita. E indovinate un po’? Abbiamo fatto degli esperimenti concreti, e voglio raccontarveli in prima persona.

Perché Guardare ai Laser per Spingere Razzi?

Partiamo dalle basi. I razzi che conosciamo oggi funzionano bruciando enormi quantità di carburante. Sono potenti, certo, ma anche costosi e poco riutilizzabili. Ogni lancio è una spesa ingente. E se potessimo “alimentare” il razzo da terra, senza bisogno di portarsi dietro tonnellate di propellente? È qui che entra in gioco la propulsione a energia trasmessa (beamed-energy propulsion). L’idea è semplice quanto geniale: sparare un fascio di energia ad alta potenza (come un laser o microonde) da una stazione a terra verso un veicolo in volo.

Nel nostro caso, ci siamo concentrati sulla propulsione laser. Ecco come funziona, in soldoni:

• Un potente laser pulsato a ripetizione viene sparato da terra.
• Il veicolo spaziale ha uno specchio speciale a forma di parabola (o più parabole, come nel nostro caso!).
• Lo specchio concentra il raggio laser in un punto piccolissimo.
• L’energia concentrata è così intensa da “rompere” l’aria (o un altro gas), creando una piccola palla di fuoco super calda chiamata plasma (un processo detto breakdown del gas).
• Questa espansione rapidissima genera un’onda d’urto potentissima, come una micro-esplosione.
• L’onda d’urto spinge il veicolo verso l’alto. Voilà, abbiamo la spinta!

Ripetendo questo ciclo molte volte al secondo (nel nostro esperimento, 50 volte!), il veicolo viene spinto continuamente verso l’alto. Fantastico, vero? Il bello è che l’energia viene da terra, e il “carburante” è l’aria stessa (almeno a basse altitudini). Niente motori a combustione interna pesanti, niente serbatoi. Questo apre la porta a veicoli molto più leggeri ed efficienti, con un potenziale abbattimento dei costi di lancio incredibile.

Certo, esistono anche i razzi a microonde, che funzionano in modo simile ma usano onde a frequenza diversa. Hanno il vantaggio di costare meno come sorgente, ma le microonde tendono ad allargarsi di più su lunghe distanze rispetto a un laser. Per questo, noi abbiamo puntato sul laser: il suo fascio rimane più concentrato, permettendo veicoli più piccoli e leggeri.

La Sfida: Rimanere Dritti sul Fascio Laser!

Ok, l’idea è affascinante, ma c’è una sfida enorme: come si fa a mantenere il veicolo perfettamente allineato con il fascio laser mentre sale a velocità pazzesche? È il problema del “beam-riding”. Se il veicolo si sposta anche di poco, o si inclina, rischia di uscire dal raggio e perdere la spinta.

Negli anni, sono stati proposti vari design per risolvere questo problema. Il famoso “Lightcraft” usava una sorta di anello (cowl) per generare forze che tendevano a ricentrare il veicolo sul fascio. Altri, come il DLR tedesco, hanno proposto propulsori a forma di campana. Noi abbiamo sviluppato un nostro concetto, il “propulsore multi-parabola”, che cerca di combinare i vantaggi di entrambi: uno specchio parabolico centrale per la spinta principale e la stabilità angolare, e uno specchio laterale con un anello per generare forze di ricentramento laterale.

Il Nostro Primo Volo Libero: Su, Su, e… Ops, di Lato!

E così, siamo arrivati al dunque: l’esperimento di volo libero! Abbiamo costruito il nostro piccolo veicolo multi-parabola (pesava appena 2.17 grammi!) in super duralluminio. Per dargli un po’ di stabilità giroscopica, lo abbiamo messo su una piattaforma rotante e gli abbiamo dato una bella “frullata” iniziale a 7800 giri al minuto. Poi, abbiamo acceso il nostro laser a CO2, sparando impulsi da 4.93 Joule, 50 volte al secondo.

Il risultato? È stato emozionante! Il veicolo si è sollevato, spinto dagli impulsi laser. Abbiamo visto con le nostre telecamere (due iPhone in slow-motion, posizionati strategicamente) che ha raggiunto un’altitudine massima di 110 millimetri. Non male per un inizio! Però… c’è stato un però. Dopo un po’, il veicolo ha iniziato a deviare dalla traiettoria verticale, uscendo dal fascio laser e ricadendo.

Analizzando i dati, abbiamo capito il perché. C’erano due problemi principali nel nostro setup iniziale:

1. Un leggero disallineamento laterale: il laser non colpiva perfettamente il centro del veicolo all’inizio.
2. Un disallineamento angolare e un fascio non perfettamente parallelo: il laser era leggermente inclinato e tendeva a focalizzarsi a una certa altezza (circa 135 mm), invece di rimanere collimato.

Questi difetti, anche se piccoli, hanno fatto sì che, superata una certa quota (circa 40 mm), le forze di ricentramento non fossero più sufficienti. L’inclinazione iniziale, in particolare, generava una spinta laterale che lo portava fuori rotta. Era chiaro: per andare più in alto e mantenere un volo stabile, avevamo bisogno di un controllo attivo.

Costruire l'”Occhio Laser”: Il Sistema di Tracciamento

Se il veicolo tende a “scappare” dal laser, perché non fare il contrario? Ovvero, far sì che sia il laser a “inseguire” il veicolo? Questa è l’idea dietro il nostro sistema di controllo attivo e tracciamento. Dovevamo costruire un sistema capace di:

• Vedere esattamente dove si trova il veicolo in ogni istante.
• Calcolare dove puntare il prossimo impulso laser.
• Orientare il fascio laser velocissimamente.

Tutto questo in meno di 20 millisecondi, l’intervallo tra un impulso laser e l’altro (alla frequenza di 50 Hz del primo esperimento). Una sfida pazzesca!

Abbiamo messo a punto un sistema basato su:

• Due telecamere stereo ad alta velocità (450 fps): per catturare la posizione 3D del veicolo in tempo reale.
• Un PC potente: per elaborare le immagini (binarizzazione, estrazione contorni, calcolo posizione 3D) in soli 6-10 millisecondi.
• Due specchi piatti montati su guide lineari: mossi da motori passo-passo ad alta velocità.
• Un Arduino: per controllare i motori degli specchi in base ai dati dal PC.

Modificando la posizione dei due specchi, potevamo cambiare la direzione del fascio laser incidente sul veicolo, mantenendolo sempre “nel mirino”. Dall’esperimento di volo libero, avevamo calcolato che il veicolo raggiungeva una velocità laterale massima di circa 0.08 metri al secondo prima di deviare. Quindi, il nostro sistema di tracciamento doveva essere in grado di muovere il punto di impatto del laser almeno a quella velocità. I nostri calcoli preliminari, basati sulla velocità dei motori e sul tempo di elaborazione, suggerivano che potevamo raggiungere una velocità tracciabile tra 0.09 e 0.126 m/s. Eravamo sulla buona strada!

Testare l’Inseguitore: Riesce a Tenere il Passo?

Provare il sistema direttamente su un veicolo in volo libero sarebbe stato complicato. Così, abbiamo optato per un test più controllato. Abbiamo montato il nostro veicolo multi-parabola sulla punta di un braccio robotico che potevamo programmare per muoverlo sul piano orizzontale (XY) a velocità note.

Abbiamo usato un laser YAG (diverso da quello del volo libero, a 10 Hz e 450 mJ di energia – meno potente ma sufficiente per il test e più sicuro). Anche se questa energia non bastava a sollevare il veicolo, era sufficiente a creare il breakdown del gas e la caratteristica “esplosione” sonora quando colpiva lo specchio parabolico centrale. Abbiamo quindi piazzato un sensore sonoro (un microfono) vicino al veicolo. Se sentivamo il “botto” ad ogni impulso laser, significava che il tracciamento aveva avuto successo!

Abbiamo fatto muovere il robot a diverse velocità. All’inizio, a basse velocità, tutto perfetto: sentivamo il “bang” ad ogni colpo. Poi abbiamo aumentato gradualmente la velocità del braccio robotico. Abbiamo scoperto che il nostro sistema riusciva a tracciare con successo il veicolo fino a una velocità istantanea di 0.09 metri al secondo! Questo risultato era importantissimo: superava la velocità di 0.08 m/s che avevamo misurato come critica nel volo libero. Il nostro sistema di tracciamento funzionava e rispettava i requisiti!

Cosa Ci Riserva il Futuro? Verso le Stelle (Letteralmente!)

Questi esperimenti sono solo l’inizio, ovviamente. Abbiamo dimostrato che il concetto di propulsione multi-parabola funziona e, soprattutto, che abbiamo sviluppato un sistema di tracciamento capace di mantenere il laser agganciato al veicolo anche quando si muove.

I prossimi passi?

• Testare il sistema di tracciamento in un vero volo libero, usando un laser più potente.
• Migliorare l’allineamento ottico iniziale per ridurre le deviazioni fin da subito.
• Affrontare le sfide del mondo reale: come si comporterà il fascio laser su distanze chilometriche attraverso l’atmosfera? Vento, turbolenze, polvere… qui entrano in gioco tecnologie come l’ottica adattiva per correggere le distorsioni del fascio.
• Scalare il sistema: veicoli più grandi, laser ancora più potenti, sistemi di controllo più sofisticati (magari combinando telecamere a terra con sensori GPS e accelerometri a bordo del veicolo).

La strada è ancora lunga, ma la prospettiva di lanciare carichi utili nello spazio usando raggi laser da terra è incredibilmente eccitante. Potrebbe davvero essere una delle chiavi per rendere l’accesso allo spazio più economico e frequente. Noi continuiamo a sperimentare, a spingere i limiti della tecnologia, un impulso laser alla volta!

Fonte: Springer