Stazioni spaziali rotanti per creare gravità artificiale. Come funzionano e perché non le abbiamo ancora costruite?

Elysium - Stazione spaziale

Una stazione spaziale rotante ci permetterebbe una gravità simile a quella terrestre. Sappiamo già come costruirla, ma i costi sarebbero elevati [@01]

Nei racconti di fantascienza, in particolare nelle space opera, capita spesso di vedere l’equipaggio delle astronavi che cammina senza troppi problemi tra le stanze come se fosse sulla superficie della Terra.
In genere gli autori non spiegano come riescono a replicare la gravità terrestre all’interno delle strutture spaziali, oppure fanno ricorso a invenzioni immaginarie, non ancora dimostrabili – niente di male, visto che si tratta appunto di fantascienza.

Il motivo è semplice: non abbiamo ancora né i mezzi né le conoscenze per manipolare la gravità. Per essere più precisi, non abbiamo ancora un’idea precisa di quale sia la causa o la particella che provochi l’attrazione gravitazionale tra due corpi.

[per dettagli sull’attrazione gravitazionale vedi l’articolo: Cos’è la gravità?]

Stazioni rotanti: come funzionano

2001 - Odissea nello Spazio

Nel film “2001 – Odissea nello spazio”, la stazione rotante ha una gravità artificiale che simula quella della Luna [@02]

Anche se non abbiamo le conoscenze per manipolare la gravità, abbiamo i mezzi (e le conoscenze) per simularla in modo artificiale. Una delle teorie scientifiche più affascinanti è l’uso di stazioni spaziali rotanti: girando su loro stesse, generano all’interno un fenomeno simile all’attrazione gravitazionale.

Se avete visto “2001: Odissea nello spazio” oppure il più recente “Elysium” avete un’idea di cosa stiamo parlando. Entrambe le strutture continuano a ruotare sullo stesso asse centrale, in modo regolare, e generano una gravità artificiale grazie alla forza centrifuga (che è la forza che sembra agire su un corpo mentre sta ruotando).
Il meccanismo con cui si crea questa gravità artificiale non è fantascienza, ma scienza. Già negli anni ’60 la NASA aveva creato un’enorme centrifuga per eseguire i test in proposito.

Nella pratica, se guardiamo la stazione dall’esterno ci accorgiamo subito che non c’è una vera forza a spingere gli uomini: si tratta di semplice inerzia che spinge il soggetto a continuare la rotazione, mentre il pavimento offre la forza centripeta per restare “ancorato” e impedire al soggetto di uscire dalla rotazione.

Se però guardiamo questo sistema dal punto di vista dell’uomo nella centrifuga (o nella stazione rotante), la storia cambia: l’uomo crede di essere fermo, mentre è l’intero mondo attorno a lui a muoversi. Esattamente come succede con la gravità terrestre, che ci tiene incollati al suolo.

Riassumendo, si può simulare la gravità su una stazione rotante perché la forza centrifuga (che farebbe “volare” l’uomo all’esterno) è bilanciata dalla forza applicata dal pavimento. Se la rotazione si bloccasse di colpo, il bilanciamento verrebbe meno e l’uomo sarebbe improvvisamente sbalzato via.

Le dimensioni di una stazione rotante

ISS - Stazione Spaziale Internazionale

Per simulare la gravità terrestre senza problemi, una stazione grande come la ISS dovrebbe ruotare su se stessa troppo velocemente. Il raggio dovrebbe essere molto più grande [@03]

Appurato che una stazione rotante può funzionare, cioè che dal punto di vista scientifico può creare la gravità artificiale, dobbiamo chiederci: perché non ne abbiamo ancora costruita una?

I motivi principali sono legati alle dimensioni e ai costi.
La forza centrifuga è proporzionale alla velocità e al raggio di rotazione: questo significa che se vogliamo simulare una gravità terrestre (1 g), dobbiamo costruire una stazione enorme, perché se la stazione è piccola deve ruotare molto velocemente.

Per esempio, la stazione spaziale V di “2001: Odissea nello spazio” aveva un raggio di 150 metri e faceva una rotazione completa al minuto. La gravità che generava era simile a quella presente sulla Luna, cioè di appena di 1,655 m/s2.
Per arrivare a una gravità terrestre (1 g = 9,807 m/s2) avrebbe dovuto compiere una rotazione in soli 24 secondi.

Il problema di creare stazioni piccole, e quindi di portarle a ruotare molto velocemente, è che l’effetto sarebbe fastidioso per gli uomini che ci vivono: la testa avvertirebbe una forza di gravità minore rispetto ai piedi e il sangue sarebbe spinto verso i piedi.

Questo effetto fastidioso non si sente se la stazione è enorme, perché permette di simulare la gravità terrestre con una rotazione più lenta. Il problema caso mai è un altro: i costi per costruirla.

I costi di una stazione rotante

Asteroidi

Lo spazio attorno a noi è pieno di asteroidi con metalli utili da poter estrarre. I metalli presenti sulla Terra, infatti, potrebbero non bastare [@04]

Un corpo umano non tollera più di 1 giro al minuto, in caso contrario i canali del suo orecchio sarebbero troppo sollecitati e comincerebbe ad avvertire alcuni disturbi spiacevoli: nausea, vomito e nei casi più gravi anche svenimento.
Per evitare questi effetti bisogna per forza diminuire la velocità di rotazione; e, di conseguenza, per ottenere la gravità terrestre bisogna allungare il raggio della stazione.

La quantità di materiale necessario

Per creare un campo gravitazionale simile a quello della Terra, una stazione rotante che eseguisse mezzo giro in un minuto dovrebbe avere un raggio di 3,6 km.
Già oggi siamo in grado, sulla carta, di costruire una stazione di questo tipo, che dovrebbe essere molto più robusta al centro (dove lo stress della rotazione è maggiore). Il concetto di base non è molto diverso dal costruire la ISS (Stazione Spaziale Internazionale).

Però più grande è la stazione, più materiale è richiesto per costruirla. Dovremmo recuperare i metalli dagli asteroidi, perché sulla Terra finirebbero per scarseggiare.
Se poi volessimo creare una stazione immensa come Elysium, per generare una vera e propria comunità duratura, i metalli presenti sulla Terra potrebbero non bastare: l’estrazione dagli asteroidi è l’unica scelta possibile.

Stimare i costi per l’estrazione dei metalli dallo spazio e per la loro lavorazione è complicato, visto che ancora non abbiamo un’idea precisa di come farlo in modo economicamente sostenibile.
Però possiamo stimare almeno i costi per la costruzione fisica.

Elysium come esempio: quanto ci costerebbe?

Elysium

La stazione spaziale nel film Elysium ha un raggio di 60 km. La costruzione è realistica, ma costerebbe uno sproposito [@05]

La stazione spaziale Elysium, nel film, è di dimensioni enormi, con un raggio di ben 60 km. Con le tecnologie che abbiamo oggi a disposizione si stima che il costo per portare in orbita il materiale necessario per costruirla sarebbe di 1.650 miliardi di dollari!

Infatti, anche usando la versione più performante del Falcon di Space X (il Falcon Heavy), si parla di milioni di tonnellate di materiale e di oltre 18 mila lanci necessari per trasportarlo.

Abbiamo considerato soltanto i costi per il trasporto del materiale, perché l’opera di costruzione è difficile da quantificare. LA ISS ci è costata circa 150 miliardi di dollari e il costo dei lanci è stato circa il 33% del totale: se teniamo per buona questa percentuale, significa che Elysium ci costerebbe in totale sui 5.000 miliardi di dollari. E non abbiamo ancora conteggiato i costi per l’insediamento e il sostentamento della popolazione.

Costi del genere, oggigiorno, sono impossibili da sostenere, soprattutto considerando che gli Stati (purtroppo) ritengono la ricerca spaziale una voce secondaria del loro bilancio.

Fonti esterne








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