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« Sulla Propulsione a Curvatura »

Tratto dal Giornale di Ingegneria della Propulsione (vol.A), 2389

A cura del Vice Ammiraglio Morenus Papadopulos, SFC, 2389

La scoperta della propulsione ad impulso apre la possibilità di esplorare, in tempi accettabili, il sistema solare dove una civiltà si è evoluta e, se le stelle vicine non sono troppo distanti, anche i sistemi stellari limitrofi. Allo stesso tempo questa forma di propulsione richiede un ulteriore progresso tecnologico: le velocità in gioco, e i conseguenti effetti inerziali su tutto ciò che si trova a bordo di un vascello che si muova a frazioni considerevoli della velocità della luce, impongono di trovare un sistema che elimini - o quanto meno attenui - gli effetti inerziali degli spostamenti.

Gli esperimenti - di nuovo condotti agli inizi del XXI secolo in Europa - mostrarono la possibilità di utilizzare anelli superconduttori per generare un campo di gravità artificiale controllabile. Potendo fornire ora un sistema in grado di contrastare i momenti di inerzia, la via umana alla esplorazione dello spazio era aperta. Nello stesso periodo e negli stessi laboratori dell’Unione Europea erano in corso altri esperimenti, volti a cercare di superare il limite - a lungo ritenuto invalicabile - della velocità della luce. Secondo la Teoria della Relatività, formulata all’inizio del XX secolo dal fisico Albert Einstein, nel continuum spaziotemporale nulla può muoversi alla velocità della luce se non la luce stessa; poiché all’approssimarsi della velocità della luce un oggetto aumenta la massa e poiché per aumentare la velocità è necessario vincere l’inerzia aumentando l’energia del sistema, più si accelera più aumenta la massa, cosicché per accelerare serve una quantità sempre maggiore di energia. Per raggiungere la velocità della luce, situazione in cui la massa tende all’infinito, occorrerebbe una energia infinita.

In verità, i primi studi terrestri del tardo XX secolo dimostrarono teoricamente la possibilità di aggirare questo limite, noto come Velocità della Luce (C), ricorrendo alla Teoria Ristretta della Relatività e ad una quantità enorme di energia, in grado di generare un gradiente gravitazionale sufficiente a provocare una "curvatura" pilotata dello spazio-tempo. Fu solo nella seconda metà del XXI secolo che lo scienziato nordamericano Zephram Cochrane riuscì a costruire la prima nave sperimentale con motori in grado di superare il Limite di Einstein. L’unica possibile soluzione, come dimostrò Cochrane, è quindi quella di non operare all’interno del continuum spaziotemporale, da cui nacque l’idea del subspazio.

Anche se l’universo viene percepito dai nostri sensi come un volume tridimensionale, dal punto di vista della fisica di curvatura il continuum è invece la superficie di una sfera: è evidente che percorrere un tratto di superficie di una sfera sia sempre più lungo che percorrere un analogo tratto di superficie di una ipotetica sfera che abbia un raggio inferiore e che sia contenuta all’interno della sfera maggiore. Quindi, secondo la teoria, se fosse possibile praticare un "buco" sulla superficie di quella sfera che è il nostro continuum, scendere ad un livello "più sotto" (sub-spazio) fino a raggiungere la superficie della sfera "interna", percorrere lì il tratto di strada che ci serve e poi riemergere, si otterrebbe l’effetto di aver compiuto un tragitto in un tempo inferiore a quello impiegato dalla luce (che deve viaggiare lungo la superficie del continuum), pur senza aver mai superato veramente la velocità di 300.000 KM al secondo.

Corollario di questa teoria è che, maggiore è l’energia impiegata per "scavare" il buco verso il subspazio, maggiore sarà la profondità che si può raggiungere o, come dicono gli ingegneri della Flotta Stellare, più profondo lo strato subspaziale che si può raggiungere. A questa "profondità" corrisponde, come abbiamo visto, una sfera di diametro minore e quindi una minore distanza da percorrere, il che comporta una velocità apparente - rispetto al continuum - più elevata. Maggiore velocità di curvatura, quindi, è la funzione di un più elevato livello di subspazio, ma anche di una maggiore richiesta di energia; caratteristica del subspazio, infatti, che lo rende diverso dallo spazio ordinario, è che non vige il principio di conservazione del moto: se si smette di fornire energia il subspazio si "richiude" spingendo la nave sempre più "su" fino a farla ritornare nello spazio normale. Nei primi tempi non era possibile attivare un campo di curvatura all’interno di un sistema stellare, dato l’alto rischio che la singolarità quantica mandasse in nova la stella. Alla fine del XXIV secolo, comunque, i progressi nella focalizzazione dei campi permettono di attivare la curvatura già a 300 KM dalla superficie di un pianeta e addirittura, seppur con il rischio di gravi danni strutturali alla nave stessa, anche all’interno di una atmosfera.

Ottenere un flusso costante di energia di curvatura a livelli elevati richiese in effetti decenni di sforzi da parte degli scienziati: la Phoenix viaggiò a una velocità di poco superiore a quella della luce, e solo per un brevissimo tratto, all’interno del sistema solare della Terra. Si dovranno attendere quasi 90 anni prima che la Terra vari il primo vascello da esplorazione a curvatura 5 (214 C) e un altro secolo prima che velocità di punta di curvatura 8 (1024 C) divengano disponibili.

Analisi tecnica

Sulle moderne navi stellari l’apparato che permette la velocità di curvatura è composto da tre sistemi distinti, a loro volta composti da diversi sottosistemi: il sistema di produzione di energia, quello di generazione del campo a curvatura e quello che genera la singolarità quantica, assieme la rottura della superficie del continuum.

Il sistema di produzione di energia è conosciuto come nucleo di curvatura, anche se in realtà è composto da più sottosistemi: stoccaggio di antimateria, stoccaggio di materia, condotti di trasferimento di materia e antimateria alla camera di reazione, camera di reazione e condotti di trasferimento di plasma alle bobine motrici delle gondole. Tutto questo sistema - che è il più importante, delicato e pericoloso di una nave stellare - ha l’unico scopo di creare un plasma energizzato abbastanza potente da alimentare i due sistemi che si occupano della propulsione della nave. Il plasma prodotto dal nucleo viene incanalato quindi lungo i condotti di trasferimento, che lo portano verso le bobine motrici del campo a curvatura, alloggiate all’interno delle gondole.

Sulle navi della Flotta Stellare le gondole sono normalmente due, alloggiate in cima a lunghe strutture di supporto chiamate "piloni". Studi compiuti negli anni dalla Flotta hanno dimostrato che questa è la configurazione ottimale. Una sola gondola rende difficile il controllo della geometria del campo di curvatura, con effetti negativi sulla guida della nave (problema che i Vulcaniani tentarono di risolvere con l’uso di una gondola toroidale sulle navi di classe Maymora); tre o più gondole non apportano invece alcun sostanziale vantaggio, mentre complicano la sincronizzazione dei flussi e la manutenzione dei sistemi.

Attualmente, più di due gondole vengono installate solo su navi equipaggiate per il distacco in più elementi operativi distinti, come sulla classe Prometheus, o su navi corrieri veloci, in cui sono però utilizzate sempre a coppie. Analogamente, solo le navi della classe Defiant, per ragioni di manovrabilità in combattimento, hanno le gondole annegate all’interno del corpo stesso della nave. Questa configurazione, infatti, presenta il duplice svantaggio di rendere il campo più stretto, quindi meno stabile, e di presentare rischi di danni catastrofici in quanto la gondola non può essere espulsa in caso di avaria.

I piloni stessi hanno subito, nella storia della Flotta Stellare, numerose varianti di disegno. Inizialmente erano costruiti inclinandoli di 45° verso l’alto rispetto all’asse orizzontale della nave; successivamente, per semplificare il percorso dei condotti di trasferimento del plasma, la Flotta iniziò a costruire piloni orizzontali, come per le classi Excelsior e Ambassador, o in parte orizzontali e in parte verticali come per la classe Galaxy. Nel corso di questi "esperimenti" la Flotta si accorse inoltre che i piloni orizzontali aiutavano a mantenere più efficiente la propulsione ad impulso; le gondole, in particolare le bobine in esse contenute, sono infatti l’elemento più pesante di una nave, e mantenerle sullo stesso asse di volo della nave aiutava a non disperdere energia per contrastare un momento verticale indotto dalla massa.

Con la scoperta dei danni arrecati al tessuto subspaziale dalle alte velocità di curvatura (il cosiddetto "Effetto Hekariano") la Flotta si dedicò alla ricerca di un sistema più "ecosostenibile", giungendo alla conclusione che i piloni "vecchio stile", inclinati di 45°, erano la miglior soluzione possibile. Questa variante di disegno fu inserita nel progetto della nuova classe Sovereign, insieme all’uso di un numero maggiore di bobine più piccole, che generavano meno dispersione di quelle di maggiori dimensioni (se si osservano le gondole di una nave di classe Sovereign, ad esempio, si nota immediatamente come siano più lunghe e più strette di quelle di una classe Galaxy). Poiché l’utilizzo di piloni inclinati avrebbe comportato una completa ridefinizione della configurazione delle navi di classe Intrepid, che si apprestavano allora ad entrare in servizio in sostituzione della ormai obsoleta classe Excelsior, fu escogitata una soluzione insolita: per aiutare i propulsori ad impulso, alloggiati lungo i piloni, gli stessi assumono una configurazione orizzontale durante le operazioni subluce, mentre si inclinano verso l’alto di 45° quando la nave entra in curvatura. Attualmente, questa è l’unica classe di navi nota alla Federazione che abbia piloni a "geometria variabile".

L’energia generata dal nucleo a curvatura, quindi, fluisce sotto forma di plasma energizzato lungo i condotti di trasferimento alloggiati nei piloni, e arriva alle gondole. Le gondole dei motori sono composte da due sottosistemi principali: gli iniettori di plasma e le bobine di campo. Gli iniettori di plasma, due per bobina (iniettore superiore e iniettore inferiore), servono ad energizzare le bobine di campo nella giusta sequenza: è infatti la sequenza di energizzazione delle bobine che permette il movimento della nave in una determinata direzione.

Le bobine di campo sono l’effettivo motore di una nave stellare: quando il flusso di plasma raggiunge una bobina, il suo nucleo di cortenìde di verterio (un composto addensato di polisilicato di verterio e monocristallo di corteno) si comporta come un trasformatore, innalzando ulteriormente la potenza - già elevata - attinta dal plasma. Poiché, in base al Principio di Mach, maggiore è la potenza minore diviene la massa da muovere, l’azione delle bobine è indispensabile per rendere la nave abbastanza "leggera" da poter scivolare nel subspazio e muoversi, quindi, a velocità maggiori di C. Inoltre, poiché dalla minore massa dipende una maggiore velocità, e poiché la massa sarà tanto minore quanto più sono energizzate le bobine, il numero di ignizioni di plasma per unità di tempo è direttamente correlato alla velocità da raggiungere: il tempo che le bobine impiegano a scaricare l’energia tra una iniezione di plasma e l’altra costituisce uno dei limiti relativi alla velocità di curvatura effettivamente raggiungibile.

Analogamente, l’ordine di ignizione delle bobine determina una variazione della massa "localizzata": la nave tenderà quindi a muoversi naturalmente verso la direzione con più massa, determinando l’equilibrio dinamico che consente di manovrarla. Se le bobine vengono energizzate tutte con la stessa quantità di energia e nello stesso istante, invece, si ottiene una cd "bolla statica di curvatura", utile ad esempio in campo informatico per ottenere computer in grado di elaborare informazioni a velocità superiori a quelle della luce.

Non tutta l’energia generata dal nucleo raggiunge però le bobine motrici. Lungo il percorso del plasma attraverso i condotti di trasferimento si trovano infatti i captatori ad alta capacità, che trasferiscono parte dell’energia del plasma verso l’ultimo dei sistemi di guida: quello noto come deflettore di navigazione, anche se questa è una sola delle due funzioni cui il sistema è dedicato.

La prima delle due funzioni, quella propriamente attinente al movimento della nave, consiste nel generare - attraverso l’emissione di un fascio di gravitoni - una singolarità quantica altamente focalizzata. L’enorme massa e l’attrazione gravitazionale della singolarità (da non confondere con la singolarità quantica in uso sui vascelli romulani) generano una "curvatura" locale dello spazio-tempo tale da lacerare il continuum, dando accesso al subspazio. Maggiore è l’energia utilizzata per generare la singolarità più "pesante" sarà la singolarità stessa: si creerà quindi un "pozzo gravimetrico" in grado di penetrare più profondamente nel subspazio o, come dicono gli ingegneri della Flotta, si raggiungeranno più alti livelli di subspazio. È importante notare che una simile tecnica viene utilizzata anche per raggiungere alte velocità di impulso (superiori al limite di 0.25c): per raggiungere velocità superiori, infatti, non basta più la sola riduzione di massa conseguente all’applicazione del Principio di Mach, ma viene aggiunta la creazione di una singolarità quantica, senza tuttavia che vengano raggiunte le energie necessarie alla rottura del continuum.

L’emissione di gravitoni che genera la rottura del continuum è un altro risultato degli esperimenti compiuti dai ricercatori europei agli inizi del XXI secolo. Negli stessi laboratori in cui si studiava la propulsione ad impulso, un’altra squadra di ricercatori portava avanti esperimenti su "anomalie gravitazionali generate dalla rotazione di anelli superconduttori". Anche in questo caso le ricerche diedero i loro frutti, generando sia i sistemi per ottenere gravità artificiale a bordo di navi o habitat spaziali (vedere anche "Sistemi Ambientali" per maggiori dettagli) sia gli emettitori di gravitoni che sono alla base della propulsione superluminale.

Naturalmente, la creazione della singolarità e del pozzo gravimetrico in sé non sono sufficienti a muovere la nave in una determinata direzione, se non "dritto davanti alla prua". A questo provvedono le bobine motrici del campo di curvatura, sia con la complessiva riduzione di massa del vascello, che rende possibile muoverlo, sia con la vettorializzazione della riduzione di massa che consente un certo grado di manovrabilità. A questa vettorializzazione si unisce la possibilità di intervenire, entro certi limiti, sul punto di focalizzazione della singolarità: se anziché dritto davanti alla prua il focus è spostato leggermente a dritta, il vascello tenderà ad eseguire una larga virata verso destra. Analogamente per ogni altra direzione. A causa della dispersione di momento generata da queste manovra, comunque, ogni virata tende a far perdere velocità al vascello, per cui nelle situazioni in cui la velocità è di primaria importanza è più efficiente puntare in linea retta verso la destinazione voluta, lasciando ad un secondo tempo gli eventuali aggiustamenti di rotta. L’energia generata dal plasma, quindi, raggiunge le gondole, dove le bobine riducono in maniera vettorizzata la massa della nave e le imprimono un movimento direzionato. Nello stesso tempo una parte dell’energia viene indirizzata verso il deflettore di navigazione, che genera una singolarità quantica che lacera il continuum e permette la transizione verso il subspazio.

La seconda della due funzioni, quella propriamente di "deflessione", concerne la capacità di un vascello di navigare attraverso lo spazio profondo, tutt’altro che un vuoto siderale: polvere cosmica, radiazioni, particelle - oltre a fenomeni più vistosi come asteroidi, comete, fino ad arrivare a pianeti interstellari e stelle vaganti; ognuno di questi fattori renderebbe impossibile viaggiare fra due punti in sicurezza, se non fosse per il succitato deflettore di navigazione, ultimo ma non meno importante fra i sistemi di guida. Parte dell’energia generata dal nucleo viene infatti impiegata nella creazione di uno "scudo" magnetico, proiettato direttamente davanti alla nave, con la funzione di ripulirne il percorso da detriti e da qualunque altro ostacolo possa incontrare lungo il cammino. Qualora il sistema dello scudo (in realtà vari strati di campi magnetici repulsivi) non sia sufficiente, come nel caso di particelle più massicce, il sistema del deflettore emette un raggio di gravitoni altamente polarizzati che imprimono all'ostacolo un movimento, allontanandolo dalla rotta della nave. Infine, nell’insorgenza di ostacoli troppo grandi per essere allontanati dai campi magnetici o dal fascio di gravitoni, il sistema del deflettore si interfaccia con i sistemi di guida e modifica la rotta della nave in modo da aggirare l'ostacolo.

Limiti teorici della curvatura

A che velocità si muove una nave in curvatura? L’unità di misura della distorsione subspaziale di un campo di curvatura, e di qualunque campo utilizzi una distorsione subspaziale focalizzata (come i generatori di gravità, i raggi traenti, i deflettori) è il cochrane. Un campo di 1 cochrane è, intuitivamente, composto da 1000 millicochrane, che sono l’unità di misura comunemente utilizzata per distorsioni non propulsive; una distorsione di 1000 o più millicochrane genera un campo propulsivo, noto come velocità di curvatura. Un dato fattore di curvatura (per esempio curvatura 3) genera quindi una distorsione, misurata in cochrane (in questo caso 39) che corrisponde alla velocità in multipli di c a cui la nave sta viaggiando (quindi 39 c, ovvero 39 volte la velocità della luce).

Le velocità in c, per valori interi di curvatura, sono approssimativamente le seguenti:

FATT. CURVATURA VELOCITÀ IN C
1 1
2 10
3 39
4 102
5 214
6 392
7 656
8 1024
9 1516

Il valore reale si discosta leggermente dal valore teorico, a causa di particelle presenti nel subspazio, campi magnetici ed elettrici nel vuoto, oscillazioni quantistiche del subspazio stesso.

La quantità di energia necessaria per stabilire un campo di curvatura dipende dal suo numero di cochrane, cioè dalla distorsione subspaziale propria di quella data velocità. Comunque, in termini energetici è più dispendioso iniziare un campo di curvatura o aumentarne la distorsione che mantenerlo: questo momento di passaggio da un valore di curvatura ad uno superiore è chiamato Picco di Transizione; come corollario, si ha il fatto che viaggiare a valori frazionali di campo di curvatura (per esempio curvatura 4.3) può essere energeticamente più dispendioso che non viaggiare alla velocità di curvatura intera immediatamente superiore (in questo caso, curvatura 5).

La velocità di curvatura sottostà a due limiti, inferiore e superiore. Il limite inferiore, abbastanza ovviamente, è dato da Curvatura 1; sulla base dei postulati di Einstein però, che affermano che niente può viaggiare alla velocità della luce, si è in effetti scoperto che curvatura 1 non corrisponde a 1c ma ad un valore infinitesimalmente superiore (circa 1,00000027 c). Con ciò il postulato di Einstein si è dimostrato corretto, ancorché incompleto.

Il limite superiore è dato da curvatura 10, velocità irraggiungibile. Il perché è presto spiegato: la velocità di curvatura è data dal numero di campi di distorsione creati per unità di tempo: a curvatura 10 sarebbe necessario generare nuovi campi ad un ritmo eccedente il Limite di Planck (1.3 x 10-43 secondi) e questo è di per sé impossibile. Inoltre, a mano a mano che si aumenta la distorsione subspaziale aumenta la richiesta di energia: a curvatura 10 la richiesta di energia raggiungi valori infiniti. Infine, la direzione del moto di una nave stellare è data dalla sequenza di ignizione delle bobine di campo: a curvatura 10 le bobine non avrebbero il tempo di scaricarsi dal plasma dell’ignizione precedente e questo genererebbe distorsioni così forti nel campo subspaziale da rallentare, anziché accelerare, la nave.

Teoria della transcurvatura

Il progetto alla base del concetto di transcurvatura è la necessità di superare le limitazioni posta dalla normale velocità di curvatura; per quanto viaggiare a oltre 1000 volte la velocità della luce possa apparire incredibile, non bisogna dimenticare che la Federazione Unita dei Pianeti si estende sul piano galattico - anche se con discontinuità - per oltre 8000 AL. Appare del tutto evidente come sia difficile mantenere coeso e coerente un sistema politico in cui occorrano 8 anni per viaggiare da un estremo all’altro. Il Grande Esperimento, o Progetto Transcurvatura ("Oltre la Curvatura"), prese l’avvio sul finire del XXIII secolo. Alla base del progetto era l’assunto che fosse possibile creare un subspazio all’interno del subspazio: nei sogni dei progettisti questo avrebbe aumentato a dismisura le possibili velocità (transcurvatura 6 significava allora 392 C², cioè quasi 154.000 C).

Purtroppo per loro, e per la Flotta Stellare, la transcurvatura si dimostrò irrealizzabile, nonostante la creazione ad hoc di una nuova classe di navi, le Excelsior. Ogni informazione in merito al Grande Esperimento è tuttora classificata, per cui le ragioni del fallimento sono ignote. Che si tratti di inadeguatezza dei materiali, della impossibilità di creare una tasca subspaziale all’interno del subspazio, di richieste troppo elevate di energia o di eccessivo stress strutturale non si può sapere. Quello che si sa è che la Flotta Stellare definì il Grande Esperimento "un fallimento colossale". Ma non smise di pensarci, e continuò a lavorarci per trovare altre soluzioni al problema. Anche perché la transcurvatura funziona, come hanno purtroppo dimostrato i Borg. I loro vascelli sono infatti equipaggiati con bobine di transcurvatura, che consentono loro di raggiungere curvatura 9.9999999; inoltre esistono dei "terminal" di condotti di transcurvatura che attraversano tutta la galassia e che consentono ai Borg di raggiungere velocità di curvatura 9.99999999.

La USS Voyager, nel suo viaggio nel Quadrante Delta, riuscì ad impossessarsi di una bobina di transcurvatura Borg e ad installarla, ma dopo poco la incompatibilità dei sistemi costrinse a rimuoverla per non arrecare danni strutturali irreparabili al vascello. Dalla ripresa delle comunicazioni fra la Voyager e la Flotta Stellare un team di ingegneri sta lavorando sul progetto, in cerca di una soluzione. Nel 2369 la USS Enterprise-D riuscì a replicare i codici di apertura di un condotto di transcurvatura e ad utilizzarlo per inseguire un vascello Borg che aveva attaccato la colonia di Oniaka III. Purtroppo, da allora navi Borg pattugliano costantemente i condotti per evitare ulteriori intrusioni, rendendo impossibile il loro utilizzo ad altre specie.

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