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Manipolare la gravità: fantascienza o realtà?

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Propulsione senza propellente?

I razzi producono spinta espellendo materia ad alta velocità nella direzione opposta al moto desiderato. Il principio precede i V2 della Seconda guerra mondiale, che furono una tappa importante nello sviluppo dei grandi razzi a propellente liquido.

L’espulsione di propellente resta il metodo principale per lanciare veicoli dalla Terra e modificarne il moto nello spazio. Esistono però altre forme di propulsione, come le vele solari.

L’equazione del razzo lega la variazione di velocità ottenibile alla velocità di scarico e al rapporto fra massa iniziale e finale. Non esprime direttamente la spinta istantanea. Trasportare più propellente richiede anche energia per accelerare quel propellente, da cui l’espressione «tirannia dell’equazione del razzo».

In alcuni razzi chimici, il propellente può rappresentare circa il 90% della massa iniziale al lancio. Il valore dipende dal veicolo e dalla missione; non è una regola universale che lasci sempre esattamente il 10% a struttura, sistemi e carico utile.

La possibilità di generare spinta senza consumare propellente a bordo suscita interesse. Occorre però distinguere sistemi come le vele, che scambiano quantità di moto con la luce, da dispositivi che pretendono di accelerare senza alcuno scambio esterno.

Alcuni ricercatori hanno presentato risultati anomali e teorie non convenzionali. Queste affermazioni richiedono verifiche indipendenti prima di essere considerate dimostrazioni di nuova fisica.

Un esempio è la presentazione di John Brandenburg alla conferenza APEC sulla propulsione del 31 agosto 2024, intitolata «Descrizione e risultati di un esperimento di modifica della gravità».

L’antigravità è stata dimostrata?

Le credenziali non sostituiscono le prove

L’idea di controllare o invertire la gravità compare spesso nella fantascienza. Un’affermazione scientifica in questo campo deve essere valutata con misure riproducibili, controlli e un modello coerente.

Brandenburg presenta una carriera nella fisica dei plasmi e nella ricerca applicata, ma l’esperienza dell’autore non convalida automaticamente un nuovo risultato.

Nel proprio profilo cita attività sulla fusione e nove anni e mezzo in laboratori di ricerca nucleare, tra cui Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e Sandia Labs ad Albuquerque. Queste esperienze, anche quando comportano autorizzazioni di sicurezza, non dimostrano l’esistenza dell’antigravità.

Ha inoltre lavorato sul propulsore elettrotermico a microonde, o MET, che usa microonde per riscaldare un propellente. Si tratta di un sistema che espelle materia, non di una prova di propulsione senza reazione.

Le credenziali possono motivare un esame attento del lavoro; la validità delle conclusioni dipende comunque dalle prove.

La proposta GEM

Le interazioni fondamentali

La fisica riconosce quattro interazioni fondamentali: gravitazionale, elettromagnetica, debole e forte. Gravità ed elettromagnetismo hanno lungo raggio; le altre dominano su scale molto piccole.

La proposta GEM di Brandenburg tenta di collegare gravità ed elettromagnetismo come manifestazioni di un unico quadro. Non è una teoria sperimentalmente consolidata e non va confusa con il gravitoelettromagnetismo, un’approssimazione della relatività generale.

L’unificazione delle interazioni è un obiettivo storico della fisica. Tra i precedenti vi sono l’unificazione di elettricità e magnetismo nell’elettromagnetismo nel XIX secolo e la teoria elettrodebole, che collega l’interazione elettromagnetica e quella debole. Importanti contributi alla teoria e alla sua trattazione quantistica furono premiati nel 1979 e nel 1999. Questi successi non costituiscono una verifica della proposta GEM.

Unire gravità ed elettromagnetismo

Un confronto completo delle equazioni supera lo scopo di questo articolo. Somiglianze formali fra alcune espressioni della gravità e dell’elettromagnetismo non dimostrano che siano la stessa interazione.

Nel limite newtoniano, la forza gravitazionale fra masse puntiformi varia come 1/r², come la forza elettrostatica fra cariche puntiformi. È l’inverso del quadrato della distanza, non il semplice inverso; le due teorie presentano anche differenze fondamentali.

La ricerca di un quadro comune è legittima, ma ogni proposta deve produrre previsioni verificabili e rispettare le osservazioni già disponibili.

Brandenburg lavora da tempo su queste idee. Fra le pubblicazioni e presentazioni citate figurano:

  • “The Problem of Weak and Strong Nuclear Forces and Prediction of the Higgs-Boson Mass using the GEM (Gravity Electro-Magnetism) Unification Theory” STAIF II, Albuquerque, NM February (2012).
  • “A Derivation of the Newton Gravitation Constant and the Proton Mass From the GEM Unification Theory of Baryon-Genesis.” Journal of Cosmology Volume 17, 2011.
  • “The Value of the Gravitation Constant and its Relation to Cosmic Electrodynamics,” IEEE Transactions On Plasma Science, Plasma Cosmology Issue Vol. 35, No. 4. p845.

Perché la proposta è controversa?

Le conclusioni attribuite alla GEM cambierebbero aspetti importanti delle teorie gravitazionali consolidate. Questo richiede prove particolarmente solide.

Una delle affermazioni riguarda la possibilità che la costante gravitazionale G dipenda da altre condizioni o grandezze. Una variazione fisica deve essere distinta da cambiamenti apparenti dovuti al metodo di misura.

Un’altra riguarda effetti gravitazionali repulsivi. Non è corretto affermare che tutta la fisica quantistica li escluda categoricamente, ma ciò non rende dimostrato un dispositivo di antigravità.

Anche Jean-Pierre Petit ha proposto il modello cosmologico Janus, con ipotesi diverse su gravità, materia oscura ed energia oscura. La sua controversa accoglienza non è una prova a favore della GEM; occorre valutare separatamente le previsioni e i dati di ciascun modello.

Un’affermazione che modifica la fisica conosciuta deve superare controlli rigorosi e riproducibili.

Una misura di antigravità?

Nella presentazione Brandenburg descrive un apparato con componenti semplici, tra cui un palloncino a elio, un’armatura di motore giocattolo, filo sottile e corda.

L’autore riferisce una riduzione apparente del peso equivalente a 150 mg quando viene applicata corrente e un effetto più duraturo con un impulso magnetico di otto secondi rispetto a uno di sei. Il milligrammo è un’unità di massa: qui indica l’equivalente della variazione di forza letta dallo strumento, non una perdita di massa dimostrata.

Altre affermazioni sperimentali

Brandenburg cita anche risultati anomali riportati dai ricercatori brasiliani Elio B. Porcelli e Victo dos Santos Filho, che attribuiscono a un effetto elettromagnetico una variazione di peso durante l’illuminazione laser. Anche queste misure richiedono verifiche indipendenti.

Un altro confronto riguarda i presunti effetti elettrostatici descritti da Charles Buhler, ricercatore con esperienza alla NASA. Il suo impiego non implica che la NASA abbia convalidato le affermazioni del dispositivo.

Sono state riportate accelerazioni molto piccole nei test del 2016 e valori fino a circa 1 g in lavori successivi. Un’accelerazione espressa in g non è una quantità di energia e non dimostra da sola una modifica della gravità o l’assenza di forze esterne.

Queste affermazioni vengono talvolta accostate ai «motori a curvatura» e ad altri concetti superluminali, o FTL. Un’associazione teorica non dimostra però la fattibilità di questi sistemi.

I risultati di Brandenburg restano non confermati in modo indipendente. La semplicità apparente dell’apparato non elimina la necessità di controllare effetti magnetici, elettrostatici, termici, aerodinamici e strumentali.

Una replica utile dovrebbe stabilire se il segnale di 150 mg è riproducibile e se può essere spiegato da fenomeni già noti, prima di attribuirlo a nuova fisica.

Il consenso scientifico può sbagliare?

Le affermazioni eccezionali incontrano scetticismo soprattutto quando mancano misure indipendenti e controlli sufficienti.

La storia contiene esempi di idee inizialmente contestate che hanno poi trovato conferma, come aspetti dell’eliocentrismo sostenuto da Galileo. Il successo di quei casi non dimostra però la correttezza di una nuova proposta.

Spesso vengono richiamate anche previsioni storiche rivelatesi sbagliate:

  • Albert Michelson è associato a una dichiarazione del 1894 secondo cui «i grandi principi erano già stati scoperti e la fisica avrebbe cercato le verità nella sesta cifra decimale». È una citazione da leggere nel suo contesto, non una dimostrazione che ogni anomalia annunci una rivoluzione.
    • La relatività e la fisica quantistica avrebbero poi trasformato profondamente la disciplina.
  • Lord Kelvin espresse scetticismo sulle prospettive dell’aeronautica: «Né il pallone, né l’aeroplano, né la macchina planante avranno successo pratico».
    • Il successivo sviluppo dell’aviazione mostra i limiti di certe previsioni, ma non convalida un diverso esperimento.
  • Quanto a Einstein e alla fisica quantistica, Einstein contribuì alla sua nascita e ne contestò alcune interpretazioni, non l’intero insieme di risultati sperimentali.

Il futuro della GEM o dell’antigravità dipenderà dunque dalle prove, non dall’analogia con Galileo, Kelvin o Einstein.

Altri concetti di propulsione

Esistono proposte avanzate basate su fenomeni fisici noti. Hanno livelli di maturità molto diversi e non devono essere confuse con una dimostrazione di antigravità.

Il progetto Orion

Il progetto Orion, studiato dalla fine degli anni Cinquanta, prevedeva la propulsione a impulsi nucleari.

L’idea era sfruttare una sequenza di esplosioni nucleari dietro una struttura di spinta per accelerare un veicolo. Alcune versioni teoriche vennero considerate per missioni molto lontane.

Fonte: NASA

Il concetto prometteva elevate prestazioni, ma non fu realizzato come sistema spaziale operativo. Non è quindi corretto definirlo il propulsore più efficiente mai costruito.

Tra gli ostacoli vi fu il Trattato sulla messa al bando parziale degli esperimenti nucleari del 1963, che vietò le esplosioni nucleari nello spazio.

Propulsione nucleare termica

Un’altra possibilità è la propulsione nucleare termica.

Un reattore riscalda un propellente, spesso idrogeno, che viene espulso da un ugello. Non è necessario che il gas diventi plasma.

Una maggiore velocità di scarico può aumentare l’impulso specifico e ridurre il propellente necessario per una data variazione di velocità. La spinta dipende anche dalla portata di massa.

Per possibili missioni lunari e marziane, la NASA ha ripreso lo studio di questa tecnologia. Nel 2021 ha assegnato tre contratti, da circa 5 milioni di dollari ciascuno, a BWX Technologies (BWXT ), General Atomics e Ultra Safe Nuclear Technologies per concetti di reattori destinati alla propulsione.

I sistemi a ioni e a effetto Hall usano invece energia elettrica per accelerare propellente. Non sono soltanto esperimenti futuri: diverse forme di propulsione elettrica sono già impiegate su veicoli spaziali.

Vele solari e laser

Una vela può sfruttare la pressione della luce senza consumare propellente a bordo. Scambia comunque quantità di moto con i fotoni.

Le vele solari sono già state sperimentate nello spazio, ma la loro spinta è piccola e dipende dalla superficie, dalla massa e dalla distanza dal Sole.

Un concetto più ambizioso prevede laser esterni che illuminino una vela. L’accelerazione dipenderebbe dalla potenza, dal puntamento e dalla distanza; non sarebbe necessariamente costante per tutto il viaggio.

L’energia per tali laser potrebbe provenire da grandi impianti solari o da altre fonti. Una rete operativa di questo tipo richiederebbe infrastrutture oggi non disponibili.

La raccolta di energia solare nello spazio è discussa anche in «Soluzioni energetiche spaziali per l’energia pulita». Le risorse e la potenza realmente utilizzabili sarebbero comunque finite.

Fusione a impulsi

Alcuni concetti di propulsione studiano la fusione nucleare, distinta dalla fissione usata nei reattori tradizionali.

Il guadagno energetico della fusione va definito con attenzione: alcuni esperimenti hanno ottenuto più energia dal bersaglio di quella depositata nel bersaglio stesso, ma non un bilancio positivo dell’intero impianto. Il tema è trattato in «Fusione nucleare: una possibile fonte di energia pulita».

Per produrre elettricità occorre includere l’energia necessaria a tutti i sistemi ausiliari e sostenere prestazioni adeguate.

Un propulsore può avere obiettivi diversi da una centrale elettrica, ma deve comunque rispettare un bilancio completo di energia, massa e spinta.

Un apporto energetico esterno potrebbe essere previsto in alcuni progetti. Un guadagno di fusione inferiore a uno non dimostra però, da solo, che il sistema sia competitivo.

Helicity Space studia impulsi di plasma e fusione per la propulsione. Si tratta di una tecnologia in sviluppo, non di un motore spaziale già operativo.

«Il lavoro di Helicity potrebbe consentire all’umanità un accesso più ampio al sistema solare e forse persino missioni verso le stelle più vicine».

Pete Worden, già direttore del centro NASA Ames. È una valutazione delle potenzialità, non una prestazione dimostrata.

Fonte: Helicity

Investire nello spazio

L’industria spaziale comprende attività consolidate e nuovi mercati, favoriti anche dai razzi riutilizzabili. Ne discutiamo in «I razzi riutilizzabili possono creare nuovi mercati riducendo i costi».

Il valore di 443 miliardi di dollari citato per il mercato spaziale è una stima storica, non una misura permanente o necessariamente aggiornata al 2024. Anche i 350 miliardi prospettati per turismo spaziale e volo ipersonico sono scenari, non ricavi già conseguiti. Lo stesso vale per la previsione di 17 miliardi di dollari per Internet satellitare. Applicazioni militari, missioni lunari e progetti scientifici dipendono inoltre da finanziamenti, costi e tempi incerti.

È possibile investire in società spaziali tramite diversi intermediari. Sul sito sono disponibili guide per gli Stati Uniti, il Canada, l’Australia, il Regno Unito e molti altri Paesi.

In alternativa ai singoli titoli, l’articolo «I 5 migliori ETF aerospaziali da considerare» presenta fondi come ARK Space Exploration & Innovation ETF (ARKX) e VanEck Space Innovators UCITS ETF (JEDI). La diversificazione non elimina il rischio di mercato, la concentrazione settoriale o i costi.

Altri approfondimenti sono «La futura economia spaziale», «Infrastrutture spaziali: costruire la strada verso il cielo» e «Soluzioni energetiche spaziali per l’energia pulita».

Un’impresa attiva nella propulsione avanzata

LMT Grafico dei prezzi

Tra le grandi società quotate che hanno studiato la fusione figura Lockheed Martin Corporation (LMT ), importante gruppo della difesa.

Dai primi anni Dieci Lockheed ha lavorato al concetto Compact Fusion. Le precedenti previsioni di un reattore pronto negli anni Venti non furono dimostrazioni di fattibilità. Notizie successive hanno indicato l’interruzione del progetto interno nel 2021.

Le informazioni pubbliche sui risultati e sulle motivazioni della decisione restano limitate; non è corretto presentare ipotesi sulle cause come fatti accertati.

L’interesse per la fusione nella propulsione è tuttavia proseguito, con un investimento del 2024 in Helicity Space. L’azienda studia getti e impulsi di plasma per un possibile motore a fusione.

Fonte: Helicity

Non sono disponibili qui risultati interni sufficienti per affermare che Lockheed abbia dimostrato l’impossibilità del proprio progetto o una specifica causa tecnica del suo abbandono.

La propulsione a impulsi ha requisiti diversi dalla produzione continua di elettricità. Ciò può renderla interessante per un gruppo aerospaziale, ma non dimostra che sia vicina alla commercializzazione.

Lockheed opera anche nei satelliti, nelle sonde e nei carichi utili. Il gruppo richiama una lunga storia di missioni verso i pianeti e centinaia di carichi utili costruiti per clienti; i conteggi dipendono dalle attività incluse.

Tra i programmi spaziali e di difesa figurano:

Lockheed è inoltre il capofila del programma F-35, con Northrop Grumman (NOC ) e BAE Systems (BSP.DE ) fra i partner principali. Il programma ha avuto difficoltà di sviluppo e continua a richiedere aggiornamenti; non è corretto dichiarare risolti tutti i problemi. La produzione è su larga scala, con una domanda riportata superiore alle capacità di consegna.

Nel primo trimestre 2023, i ricavi dei segmenti erano circa 6,2 miliardi di dollari per Aeronautics, 2,3 miliardi per Missiles and Fire Control, comprendente HIMARS, 3,5 miliardi per Rotary and Mission Systems e 2,9 miliardi per Space. Il totale era circa 15,1 miliardi. Sono dati storici, non ricavi correnti.

Il gruppo opera anche nella difesa informatica e nei sistemi navali, fra cui AEGIS e missili antinave a lungo raggio.

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Jonathan è un ex ricercatore biochimico che ha lavorato nell'analisi genetica e nelle sperimentazioni cliniche. Ora è un analista di titoli e scrittore finanziario con un focus su innovazione, cicli di mercato e geopolitica nella sua pubblicazione 'The Eurasian Century'.