(30) Le strade verso lo spazio: Cannoni giganteschi?

Il cannone SHARP.    L'idrogeno viene compresso nel tubo  superiore, la canna del cannone si trova nella parte inferiore.

    Quando Giulio Verne, nel 1865, scrisse "Dalla Terra alla Luna", immaginò un gigantesco cannone verticale, incassato nel terreno, non molto lontano dall'attuale Cape Canaveral. Gli astronauti del romanzo viaggiavano all'interno di un grosso proiettile, che provvidenzialmente mancò la Luna e ritornò senza problemi sulla Terra. Molti dettagli nel libro di Verne contraddicono i principi fisici, e nessun astronauta potrebbe sopravvivere a un lancio di quel tipo: tuttavia un cannone capace di raggiungere lo spazio non è una cosa impossibile.

    Assumiamo che il proiettile all'interno del cannone acceleri con una accelerazione costante di a (metri/sec²). Dall'equazione del moto uniformemente accelerato (sviluppata precedentemente per gli oggetti in caduta libera, la cui accelerazione a è uguale a g @ 10 m/sec²), se t (in secondi) è la durata dell'accelerazione, la velocità finale (in m/sec) è

v = at

e la distanza percorsa, in metri

s = at²/2

Dalla prima equazione, t = v/a. Sostituendo questo valore nella seconda equazione, si ottiene, con qualche passaggio

v² = 2as

    Supponiamo che la canna del cannone sia lunga un miglio (@ 1600 metri) e che la velocità finale v, quella con cui il proiettile esce dalla canna, sia pari alla velocità di fuga dalla superficie terrestre

v = v_fuga = 11^·300 m/sec
v ² @ 128^·000^·000 (m/sec)²

Un rapido calcolo fornisce quindi

a @ 40^·000 m/s²@ 4000 g

    La forza esercitata sul proiettile, e su ogni passeggero che vi si trovi dentro, sarebbe 4000 volte più grande della forza di gravità. Una persona opportunamente sostenuta, come un astronauta nella navetta spaziale, sdraiata sul dorso, può sopportare un'accelerazione fino a circa 6 g. Un valore doppio comporta la perdita di conoscenza, e valori ancora maggiori provocano la rottura degli organi interni e dei vasi sanguigni. No, un cannone non è il modo più indicato per inviare esseri umani nello spazio. Tuttavia, oggetti inanimati (acqua, cibo, combustibile per il razzo, ecc.) potrebbero, in linea di principio, essere inviati nello spazio usando un gigantesco "super-cannone".

    Il problema è che il proiettile del cannone non può essere più veloce delle molecole di gas che lo spingono lungo la canna. La velocità di tali molecole, ad ogni temperatura, può essere calcolata dalle leggi della fisica. Se si confrontano diversi gas, si trova che, ad una certa temperatura, l'energia (1/2) mv² delle molecole--non la loro velocità!-- è sempre la stessa. A una data temperatura, quindi, più piccola è la massa delle molecole di un gas, e più velocemente si muoveranno.

    Le molecole prodotte dalla polvere da sparo senza fumo usata nei cannoni militari sono troppo pesanti--e quindi troppo lente--per inviare carichi utili nello spazio. La molecola migliore e più leggera per tale scopo, quella che (a una data temperatura) ha la maggiore velocità, è quella dell'idrogeno. Purtroppo nessun esplosivo pratico genera come gas l'idrogeno.

    La soluzione è quella di usare un cannone con due canne collegate tra loro, una canna ausiliaria insieme alla canna pricipale in cui viene accelerato il carico utile (ved. disegno). Le due canne sono perpendicolari tra loro e sono separate da una parete che si rompe quando la pressione su di essa diventa troppo alta.

    Invece del proiettile, la canna ausiliaria porta un pesante pistone, e il volume tra il pistone e la parete di separazione è riempito di idrogeno compresso. Quando la carica esplosiva sull'altro lato del pistone viene fatta esplodere, il pistone corre lungo la canna ausiliaria, comprimendo ulteriormente l'idrogeno e riscaldandolo. A un certo punto, la pressione dell'idrogeno caldo è sufficiente a rompere la parete di separazione, per cui l'idrogeno fluisce nella canna principale, spingendo il carico utile che vi si trova. Questo carico, quindi, non è spinto dai gas dell'esplosione, ma dall'idrogeno compresso, le cui molecole leggere sono abbastanza veloci per lo scopo.

    Un cannone di questo tipo è stato effettivamente costruito, chiamato SHARP--HARP, acronimo per "High Altitude Research Project", Progetto di Ricerca in Alta Quota, era un precedente progetto di "cannone spaziale" (ved. la sezione #30a), e S per "Super". Il cannone SHARP è usato dal "Livermore Weapons Lab", nei pressi di San Francico, per studiare il volo dei veicoli spaziali e dei proiettili, fino a 8-9 volte la velocità del suono. L'esplosione che spinge il pistone non è provocata dalla polvere da sparo, ma da una miscela di metano e aria, compressa fino a 55 atmosfere e poi accesa. Il pistone pesa una tonnellata, la canna principale è lunga 47 metri (155 piedi) e il proiettile emerge dalla canna in una grande fiammata di idrogeno che brucia nell'atmosfera.

    Per quanto il cannone SHARP sia impressionante, tuttavia i suoi proiettili non vanno molto lontano nello spazio, anche se la sua canna non sia orizzontale ma verticale, come il cannone di Giulio Verne. Infatti le velocità ottenute sono ancora molto al di sotto del valore richiesto per un'orbita stabile nello spazio, che sarebbe di 24 volte la velocità del suono per un'orbita circolare a bassa quota, e di 34 volte per sfuggire completamente alla gravità terrestre. John Hunter, progettista di SHARP, sogna di realizzare una versione ancora più potente, inserita sulla vetta di una montagna, e che sia in grado di inviare carichi utili nello spazio, ma anche con un oggetto mostruosamente grande i problemi rimangono. La resistenza dell'aria, anche in cima ad un'alta montagna, è ancora abbastanza consistente da privare il carico utile di una parte della sua velocità, e richiederebbe poi uno scudo termico sulla parte anteriore del pr ttile.

Inoltre, il carico utile dovrebbe includere anche un razzo. Innanzi tutto, raggiungere una velocità orbitale (con un certo margine per le perdite dovute alla resistenza dell'aria!) è difficile usando solo un cannone. In secondo luogo, per la prima legge di Keplero, ogni orbita è un'ellisse con uno dei fuochi nel centro della Terra. Se il carico utile è lanciato dal punto A sulla superficie terrestre, necessariamente la sua orbita intersecherà di nuovo la superficie terrestre nel punto B, posto simmetricamente. E' quindi essenziale un aggiustamento dell'orbita.

    Un cannone in grado di ottenere minori velocità può ancora essere un mezzo economico per studiare l'alta atmosfera, tra i 50 e i 130 km. Gli scienziati trovano difficile raggiungere quelle quote, poiché si tratta di valori troppo alti per i palloni sonda, ma troppo bassi per i satelliti. Vengono normalmente usati i razzi per quelle quote, ma un cannone potrebbe essere più economico, come è stato dimostrato dal progetto HARP negli anni '60 del 1900.

    Esistono anche dei progetti per accelerare un carico utile mediante forze magnetiche con un "cannone su rotaia", costituito da due conduttori paralleli, in cui è fatta passare una forte corrente elettrica. Anche qui esistono gli stessi problemi, oltre a quello di immagazzinare e poi liberare in tempi brevisimi una grande quantità di energia elettrica. Una tale tecnologia potrebbe essere applicabile sulla Luna, in un lontano futuro (come ha suggerito Arthur Clarke in uno dei suoi racconti), ma si tratta di una tecnologia attualmente ancora più arretrata di quella del cannone spaziale.

        Per saperne di più sull'accelerazione elettromagnetica, esiste un eccellente sito Web.

Postscript--Scramjets

    Effettivamente, avrebbe più senso, e motori del genere esitono, i cosiddetti "ramjets". Il problema (semplificato) consiste nel fatto che, prima che si riesca ad ottenere l'energia chimica contenuta in un atomo di ossigeno, occorre accelerarlo alla velocità del razzo, e questo richiede energia. Uno "scramjet" o "ramjet" a combustione supersonica, brucia l'ossigeno "al volo" e può essere usato fino a forse 8-9 volte la velocità del suono, che è un valore adatto per il primo stadio di un razzo. Ma, dal momento che questo metodo funziona solo dopo che si è ottenuta un'alta velocità, come fare per collaudarlo?

    "Aviation Week" (27 Agosto 2001, p. 40) spiega come un "cannone a gas leggero", simile a quello descritto precedentemente, aiuta a risolvere il problema. In questo caso, si tratta di un cannone dell'Aviazione degli Stati Uniti, con una canna lunga 36 metri (120 piedi) e un calibro di 4 pollici (10 cm). Un modello a scala ridotta dello "scramjet", caricato con etilene ad alta pressione, è stato sparato con questo cannone a una velocità di 7.1 volte quella del suono (Mach 7.1) e il suo comportamento è stato fotografato in volo, prima che si fracassasse su uno strato di lastre di acciaio in fondo al laboratorio. In tal modo, un cannone a gas è stato utile per sviluppare delle apparecchiature per il volo spaziale, anche se non si trattava direttamente di un dispositivo di lancio.