Vele solari progettate con l’IA: una nuova strada per le sonde interstellari

E se una vela potesse sfruttare la luce come una barca sfrutta il vento? Il principio è fisicamente possibile e decenni di ricerca lo hanno avvicinato alla sperimentazione. Nuovi metodi di progettazione assistita dall’intelligenza artificiale potrebbero rendere più pratiche le vele solari per piccole sonde nello spazio profondo.

Che cosa sono le vele solari? Una possibile propulsione per lo spazio profondo

Quando si pensa ai viaggi nello spazio profondo, si immaginano spesso razzi o propulsori ionici. Le vele solari seguono un principio diverso: sfruttano la pressione esercitata dalla luce su una superficie riflettente molto leggera.

L’idea di usare la luce per spingere un veicolo risale almeno al 1608, quando Johannes Kepler e Galileo Galilei discussero il fenomeno osservato nelle code delle comete.

Kepler notò che la coda di una cometa punta in direzione opposta al Sole. Da questa osservazione nacque l’ipotesi che la radiazione solare potesse un giorno contribuire a muovere oggetti nello spazio.

La prima vela solare operativa nello spazio nel 2019

Nel 2019 una vela solare funzionante venne dispiegata su un veicolo spaziale e utilizzata per modificarne l’orbita. Tentativi precedenti avevano incontrato problemi di apertura. La missione dimostrò che il principio poteva funzionare fuori dal laboratorio.

Come funzionano le vele solari?

Le vele solari possono assumere forme diverse, ma usano tutte una membrana riflettente molto sottile. I fotoni trasferiscono una piccola quantità di moto alla superficie e generano una spinta continua. Alcuni progetti mirano a raggiungere una frazione significativa della velocità della luce, sufficiente in teoria per inviare sonde verso stelle vicine nell’arco di decenni.

Breakthrough Starshot e l’obiettivo Alpha Centauri

L’iniziativa Breakthrough Starshot, fondata da Yuri Milner con il sostegno del fisico Stephen Hawking, è uno dei progetti più noti dedicati alla propulsione laser di vele ultraleggere.

Il progetto prevede potenti laser a terra puntati su piccole vele riflettenti, collegate a sonde su chip. Fotocamere e altri sensori raccoglierebbero dati durante un eventuale viaggio verso il sistema di Alpha Centauri.

I limiti delle vele solari tradizionali

Le vele solari potrebbero ampliare l’esplorazione dello spazio profondo, ma la loro fabbricazione resta complessa e costosa. Servono strutture nanometriche precise e materiali capaci di resistere alle condizioni dello spazio.

Un altro limite è la scalabilità. Le tecniche attuali producono soprattutto dispositivi molto piccoli e non possono essere trasferite direttamente a veicoli grandi o con equipaggio.

La geometria comprende spesso minuscoli fori che riducono la massa e modificano le proprietà ottiche. Una vela più leggera accelera più facilmente, ma i requisiti di precisione rendono difficile costruire superfici più estese.

Vele solari ottimizzate dall’IA

Un gruppo della Brown University e della Delft University of Technology ha sviluppato un metodo che usa l’intelligenza artificiale per progettare una vela solare nanofotonica. Lo studio «Pentagonal photonic crystal mirrors: scalable lightsails with enhanced acceleration via neural topology optimization»,¹ pubblicato su Nature Communications, presenta un metodo di progettazione e realizzazione assistito dall’IA.

 Il processo di progettazione assistito dall’IA

I ricercatori hanno impiegato un’incisione a gas su una membrana ultrasottile di nitruro di silicio. Il processo rimuove con precisione il materiale sotto la vela fino a ottenere spessore e forma desiderati.

Il dispositivo è un riflettore a cristallo fotonico con reticolo pentagonale. Misura circa 60 × 60 millimetri e ha uno spessore di 200 nanometri, molto inferiore a quello di un capello.

I fori lungo il bordo sono stati realizzati il 3% più grandi di quelli interni. Questa scelta sposta lo spettro di riflessione di 10–20 nanometri e migliora le proprietà ottiche della struttura.

Fonte – Brown

Cristalli fotonici e nitruro di silicio

Il reticolo è progettato per massimizzare la riflettività, una caratteristica che determina quanta pressione ottica può essere trasferita alla vela. Per ottimizzarla, il gruppo ha utilizzato un modello basato sull’intelligenza artificiale.

I ricercatori di Brown e TU Delft hanno creato un modello di ottimizzazione topologica neurale, combinando scienza dei materiali, ingegneria strutturale e ottica per progettare una vela ampia, leggera e resistente.

Il sistema di IA è stato applicato prima dell’analisi agli elementi finiti. L’ottimizzazione ha quindi cercato i pesi e i parametri della rete neurale che producevano forma, dimensioni e disposizione dei fori più adatte.

La vela contiene oltre un miliardo di elementi nanometrici. I fori, più piccoli della lunghezza d’onda della luce impiegata, riducono la massa e controllano la risposta ottica. Il disegno mira a migliorare accelerazione e tolleranza allo spostamento Doppler, oltre a ridurre i costi di fabbricazione e lancio.

Una fabbricazione più rapida e molto meno costosa

Il gruppo ha fabbricato un riflettore di 60 × 60 mm, spesso 200 nm e dotato di oltre un miliardo di caratteristiche nanometriche. Secondo lo studio, il costo è stato circa 9.000 volte inferiore a quello dei metodi tradizionali e il processo ha richiesto circa un giorno, invece di anni.

Prove della vela progettata con l’IA

I test indicano che il nuovo processo può produrre vele più economiche e scalabili, con buone proprietà meccaniche e ottiche. Sono risultati di laboratorio che dovranno essere confermati in condizioni operative nello spazio.

Il progetto è pensato anche per una risposta bidirezionale. Questa caratteristica potrebbe offrire maggiore flessibilità nel controllo della direzione rispetto a vele che rispondono efficacemente alla luce da un solo lato.

Dalla ricerca alle possibili applicazioni

Il metodo consente di progettare strutture nanofotoniche ad alto rapporto tra dimensioni e spessore in meno di 24 ore. Una procedura più rapida e ripetibile potrebbe rendere più accessibili gli esperimenti sulle vele solari.

Il ruolo dell’IA nei materiali per lo spazio

Lo studio mostra come l’IA possa contribuire alla progettazione, alla fabbricazione e alla verifica di materiali nanofotonici. Il gruppo ha già realizzato una vela di dimensioni superiori a quelle ottenute con approcci precedenti.

La riduzione dei costi è un vantaggio centrale. Se il metodo potrà essere riprodotto su larga scala, più gruppi di ricerca potranno sperimentare vele e altri dispositivi azionati dalla luce.

I ricercatori del progetto

Lo studio è stato guidato da Miguel A. Bessa e Richard A. Norte. Hanno contribuito Lucas Norder, Shunyu Yin, Matthijs H. J. de Jong, Francesco Stallone, Hande Aydogmus e Paolo M. Sberna, della Brown University e della Delft University of Technology. Il lavoro ha ricevuto finanziamenti dell’Unione europea e del Limitless Space Institute.

Il gruppo intende perfezionare il disegno usando simulazioni e ulteriori strumenti di IA. L’obiettivo è confrontare diverse disposizioni dei miliardi di fori nanometrici per aumentare la riflettività e ridurre la massa.

Vele solari e comunicazioni interstellari

L’applicazione principale è la propulsione di piccole sonde. Il nuovo metodo rende più plausibile la fabbricazione di vele nanofotoniche ultraleggere e scalabili per sonde spinte da laser. Potrebbe inoltre essere adattato ad altri dispositivi alimentati o controllati dalla luce.

Sistemi di comunicazione avanzati

In futuro, reti di nanosatelliti potrebbero fungere da ripetitori su grandi distanze nello spazio. Un simile sistema richiederebbe dispositivi autonomi e capaci di funzionare per decenni; le comunicazioni tra galassie non sono un’applicazione imminente di questa ricerca.

Investire nella fotonica

Numerose aziende sviluppano strumenti per la fotonica e la nanofabbricazione. Gli investitori devono valutarne tecnologia, mercato, concorrenza e valutazione finanziaria. Un produttore affermato del settore è Applied Materials.

Applied Materials Inc.

Applied Materials Inc (AMAT ) è nata nel 1967 come fornitore di prodotti chimici. Il fondatore Michael A. McNeilly spostò in seguito l’attività verso le apparecchiature per l’industria dei semiconduttori. Oggi i suoi sistemi possono servire anche alla produzione di materiali fotonici e semiconduttori avanzati.

Applied Materials ha ampliato la propria offerta attraverso diverse acquisizioni, tra cui Etec Systems, Opal Technologies e Baccini. Queste operazioni hanno rafforzato la gamma di tecnologie e la presenza commerciale dell’azienda.

La società è un importante fornitore mondiale di apparecchiature per la nanofabbricazione e i semiconduttori. Chi cerca esposizione al settore della fotonica dovrebbe comunque esaminare i fondamentali e i rischi dell’impresa prima di investire.

Ultime notizie su Applied Materials

I prossimi passi per le vele solari ottimizzate dall’IA

Prima di un impiego reale, i ricercatori dovranno studiare materiali ancora più leggeri e verificare che resistano a radiazioni, variazioni termiche e altre condizioni dello spazio.

Il sistema non è stato ancora provato in modo completo in orbita. Una fase successiva potrebbe consistere nel lancio di piccoli prototipi, seguito dalla misurazione della loro risposta e della stabilità nel tempo.

Prospettive delle vele solari ottimizzate dall’IA

Se lo sviluppo proseguirà, queste vele potrebbero contribuire a inviare piccole sonde verso altri sistemi stellari e, nel lungo periodo, a sostenere reti di comunicazione nello spazio profondo. L’idea di raggiungere altre galassie in 10–20 anni non è compatibile con le distanze fisiche coinvolte.

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Studio citato:

^{1. Norder, L., Yin, S., de Jong, M. H. J., Stallone, F., Aydogmus, H., Sberna, P. M., Bessa, M. A., & Norte, R. A. (2025). Pentagonal photonic crystal mirrors: scalable lightsails with enhanced acceleration via neural topology optimization. Nature Communications, 16, articolo 2753. https://doi.org/10.1038/s41467-025-57749-y}