La ricerca è un processo imprevedibile. A volte si finisce per fare una scoperta davvero cool che non si vedeva arrivare. Recentemente ho scoperto una proprietà fondamentale delle spade laser (proprio così-le fantastiche armi di Star Wars) mentre facevo la mia regolare ricerca sulla fisica del plasma. Ho scoperto che, mentre è in teoria possibile costruire una spada laser, è probabile che sarebbe l’arma più pericolosa mai creata – sia per l’autore che per la vittima.

Con Guerre Stellari: The Force Awakens essere rilasciato su DVD dopo aver rotto tutti i tipi di record al botteghino, ho pensato che fosse un buon momento per condividere la notizia.

Nonostante il nome, è stato stabilito nel canone di Star Wars che queste antiche armi dei Jedi non sono, infatti, spade laser ma lame di plasma. Il plasma è spesso conosciuto come il “quarto stato della materia” oltre ai solidi, liquidi e gas che tutti conosciamo qui sulla Terra. Tuttavia, i plasmi sono di gran lunga lo stato più comune di tutta la materia visibile nell’universo (escludendo la misteriosa “materia oscura” o “energia oscura”) che comprende circa il 99%.

La cosa che rende i plasmi diversi dagli altri stati è che sono composti da particelle cariche elettricamente – elettroni sciolti (caricati negativamente) e atomi che hanno perso elettroni (caricati positivamente), pur non avendo alcuna carica complessiva. Qualsiasi carica elettrica in movimento, come quelle all’interno di un plasma, crea campi magnetici e può anche essere manipolata usando campi magnetici o elettrici, a differenza di un gas neutro.

I campi magnetici sono la chiave per contenere il plasma in una lama, possono contrastare la pressione del plasma caldo cercando di espandersi nei suoi dintorni. Questo è esattamente uno degli approcci che sono stati sviluppati nel tentativo di sfruttare la potenza di fusione nucleare, in cui i nuclei atomici (atomi che non hanno elettroni) si scontrano per formare un nuovo nucleo mentre rilasciano enormi quantità di energia.

La fusione richiede temperature incredibili in modo che i nuclei atomici caricati positivamente possano superare la loro tendenza a respingersi a vicenda. Creiamo questi plasmi caldi in reattori a fusione a forma di ciambella (“tokamaks”) che utilizzano forti elettromagneti nelle pareti del reattore per tenere a bada questo plasma. Il più grande di questi reattori sperimentali sarà ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) la cui costruzione terminerà nel 2019 e che mira a essere finalmente in grado di produrre più energia attraverso la fusione di quella immessa per creare, sostenere e controllare il plasma stesso.

Bagliore misterioso

Ci sono due modi in cui i plasmi possono emettere luce. Il primo è essere incredibilmente caldo. Il sole, ad esempio, è una palla di plasmi caldi la cui fonte di calore proviene dalla fusione che avviene nel suo nucleo. Tutti gli oggetti caldi emettono radiazioni elettromagnetiche con lunghezze d’onda specifiche. Il loro colore percepito dipende esclusivamente dalla loro temperatura, passando dal rosso per temperature più basse e dal blu per temperature più alte. Questa è probabilmente la fonte del bagliore di una spada laser: se vuoi una spada laser davvero pericolosa, ne hai bisogno di una blu.

L’altro modo in cui i plasmi possono brillare è molto simile a come funziona una lampadina fluorescente. Eseguendo una corrente elettrica attraverso un plasma, gli elettroni possono scontrarsi con gli atomi caricati positivamente (ioni doppiati), che aumenta la loro energia. È simile a raccogliere una palla da terra e metterla su uno dei tanti scaffali-questo aumenta l’energia potenziale della palla, per cui gli scaffali rappresentano i livelli di energia degli ioni. Ma la natura è intrinsecamente pigra e si sforzerà sempre di tornare al più basso stato di energia possibile. Alla fine la palla rotolerà fuori dallo scaffale ricadendo a terra. Gli ioni fanno questo rilasciando la loro energia in eccesso come luce-che potrebbe creare il bagliore della spada laser. Questa luce sarà di un colore specifico a seconda della composizione del plasma.

Mentre le spade laser sembrano fattibili da un punto di vista fisico, i requisiti di alimentazione per un dispositivo del genere sarebbero immensi, soprattutto dato che deve essere contenuto all’interno della piccola elsa della spada laser. Enormi progressi nella tecnologia sarebbero necessari per rendere le spade laser una realtà. Ma c’è un problema ancora più grande che si verificherebbe se si dovesse mai avere un duello spada laser come nei film.

Potenti effetti magnetici

La riconnessione magnetica è un processo fondamentale di fisica del plasma che può verificarsi quando plasmi con diversi campi magnetici si scontrano. Man mano che i campi magnetici di ogni plasma si avvicinano l’uno all’altro, l’intero schema delle linee del campo magnetico cambia e tutto si riallinea in una nuova configurazione magnetica – rilasciando enormi quantità di energia.

Questo è ciò che alimenta essenzialmente l’aurora o l’aurora boreale – l’energia del vento solare viene rilasciata quando queste particelle si scontrano con il plasma all’interno del campo magnetico terrestre in una serie specifica di condizioni.

È dai nostri studi sulle condizioni in cui la riconnessione può avvenire nello spazio che sono stato in grado di realizzare il problema con le battaglie con la spada laser. Quando due lame di plasma si scontrano è quasi impossibile evitare la riconnessione magnetica, con il risultato di un rilascio esplosivo del plasma contenuto in entrambe le sciabole. Ciò significherebbe che, se tu fossi in un duello con spada laser, sia tu che il tuo avversario avreste parti del corpo vaporizzate in un singolo scontro!

Forse i creatori dei prossimi due film di Star Wars dovrebbero prendere nota who poi di nuovo chissà come funziona davvero “The Force”?