Benvenuti nell'era dei ritorni decrescenti


giovedì 10 novembre 2011

La barriera di Hubbert: ripensare al paradosso di Fermi


Traduzione da Cassandra's Legacy a cura di Massimiliano Rupalti

L'astronave "Orion" è spinta in avanti dalla detonazione di bombe nucleari. E' un concetto proposto negli anni '50 come un modo per raggiungere i pianeti del sistema solare in pochi giorni ed altre stelle in pochi anni. Astonavi del genere sono teoricamente possibili ma, con la quantità di energia di cui disponiamo oggi, è dura pensare che possiamo assemblare abbastanza risorse per costruire una flotta di astronavi interstellari. Al contrario, potremmo star scivolando giù dall'altra parte della curva di Hubbert e potremmo dover abbandonare ogni sogno di esplorazione spaziale. Potrebbero civiltà extraterrestri far meglio di noi? Forse no. E' possibile che ogni civiltà industriale basata su risorse non rinnovabili affronterebbe lo stesso problema che stiamo affrontando noi: il collasso generato dall'esaurimento. Possiamo chiamarlo “la barriera di Hubbert”.

Quando ho cominciato a leggere libri di astronomia, negli anni 60, nessuno sapeva se esistessero pianeti intorno ad altre stelle e la visione comune era che fossero molto rari. Naturalmente, questo contrastava con il tema principale della fantascienza del tempo, di cui ero pure un avido lettore. L'idea che i sistemi planetari fossero comuni nella galassia era molto più affascinante di quella “ufficiale” ma , a quel tempo, sembrava essere pura fantasia. Ma ora viene fuori che la fantascienza aveva assolutamente ragione, almeno su un punto. Stiamo scoprendo centinaia di pianeti in orbita intorno a stelle e le ultime notizie sono che una stella di classe analoga al sole su tre potrebbe avere un pianeta simile alla Terra in orbita abitabile. Fantastico!

Le misurazioni che ci riportano di pianeti extra-solari non possono dirci nulla di civiltà aliene, un altro tema tipico della fantascienza. Ma se i pianeti simili alla Terra sono comuni nella galassia, di conseguenza forma di vita a base carbonio, organiche, potrebbe essere altrettanto comuni. E se la vita è comune, la vita intelligente non può essere tanto rara. E se la vita intelligente non è rara, allora devono esserci civiltà aliene là fuori. Con 100 miliardi di stelle nella nostra galassia, potremmo pensare che anche su questo punto la fantascienza potrebbe aver avuto ragione. Potrebbe la galassia essere popolata da civiltà aliene?

Qui, tuttavia, abbiamo un problema ben noto chiamato “il Paradosso di Fermi”. Se tutte quelle civiltà esistono, potrebbero aver sviluppato il viaggio interstellare? E, in questo caso, se ce ne sono così tante, perché non sono qui? Naturalmente, per tutto ciò che sappiamo la velocità della luce rimane un barriera insormontabile. Ma, anche a velocità inferiori a quella della luce, niente di fisico impedisce ad una nave spaziale di attraversare da parte a parte la galassia in un milione di anni o anche meno. Siccome la nostra galassia ha più di 10 miliardi di anni, alieni intelligenti avrebbero avuto un sacco di tempo per esplorare e colonizzare ogni stella della galassia, saltando da una all'altra. Ma non vediamo alieni qua intorno e questo è il paradosso. La conseguenza sembra essere che siamo gli unici esseri senzienti della galassia, forse nell'intero Universo. Così, sembriamo tornare a certi vecchi modelli del sistema solare che ci dicono che siamo eccezionali. Una volta, ci dicevano che siamo eccezionali perché i pianeti sono rari, ora potrebbero dircelo perché le civiltà sono rare. Ma perché?

Su questo punto dovremmo rivedere alcuni presupposti stanno dietro al paradosso di Fermi. Quello di base è che esistono civiltà intelligenti, naturalmente, ma ce n'è un altro che dice che le civiltà si muovono su un sentiero di espansione progressiva che porta verso il controllo di livelli di energia sempre più alti. Se ci pensate, questo è un tipico risultato del modo di pensare degli anni 50, quando “l'era atomica” era appena iniziata e la gente vedeva come ovvio che saremmo saltati da una fonte energetica all'altra. Avremmo lasciato presto i combustibili fossili per la fissione nucleare. Da lì ci saremmo spostati alla fusione nucleare e poi chissà verso quale altra fonte. Questa progressione è cruciale perché il paradosso di Fermi abbia senso: naturalmente serve un'enorme quantità di energia per imbarcarsi in una gigantesca impresa come quella di esplorare lo spazio e le civiltà interstellari.

Una stima della quantità minima di potenza è di circa 1000 Terawatts (TW) come ordine di grandezza. E' solo una supposizione, ma ha una qualche logica. La potenza complessiva installata oggi sul nostro pianeta è sull'ordine dei 15 TW ed il massimo che potremmo fare sarebbe esplorare i pianeti del nostro sistema solare ed anche quello piuttosto sporadicamente.  Così, il paradosso di Fermi richiede che le civiltà aliene seguano più o meno la stessa strada tracciata per noi negli anni 50. Sarebbero partite dai combustibili fossili, poi sarebbero passati a varie forme di energia nucleare.

Fino a un certo punto, non è male come modello. E' probabile che pianeti “simili alla Terra” o “superterre” avessero una tettonica a placche attiva e, se si fosse sviluppata la vita, questo avrebbe portato alla formazione di combustibili fossili come risultato della sedimentazione ed il seppellimento di materia organica. Quindi, potremmo presumere che gli alieni intelligenti operino secondo principi economici simili a quelli che governano il nostro comportamento, vale a dire che tenderebbero ad usare le risorse col più alto rendimento energetico e quindi userebbero combustibili fossili come inizio della loro civiltà industriale.

I combustibili fossili, tuttavia, sono una fonte energetica debole e troppo inquinante per essere usata per il viaggio interstellare. Un pianeta extrasolare potrebbe ben esserne maggiormente dotato dei nostri, ma ciò non aiuterebbe. I limiti per i nostri alieni sarebbero gli stessi che abbiamo noi: che sia l'esaurimento o la saturazione dell'atmosfera di gas serra (forse entrambi). Ma il limite dei combustibili fossili è più sottile di questo ed è in relazione al modello di Hubbert che dice che il modello della produzione di energia di una risorsa non rinnovabile è assolutamente non lineare e segue una curva “a campana”.



Il modello è basato sul concetto che lacrescita della produzione di energia dipende dal rendimento energetico della risorsa (EROEI, energy returned on energy invested). Più l'EROEI è alto, più rapidamente la risorsa è sfruttata. Siccome le migliori risorse (con l'EROEI più alto) sono sfruttate per prime, l'EROEI declinano ed alla fine condizionano la capacità di estrarre ulteriori risorse. La produzione raggiunge un picco e poi declina. Il risultato è la tipica curva a campana di Hubbert. Se, in aggiunta, la risorsa sfruttata produce un inquinamento significativo, il declino sarà solitamente più rapido della crescita, ovvero la curva sarà asimmetrica ed inclinata in avanti (ciò che ho chiamato “effetto Seneca”). La curva è valida per tutte le risorse non rinnovabili, anche se è più spesso applicata ai combustibili fossili.

Tim O'Reilly potrebbe essere stato il primo a notare, nel 2008, che la curva di Hubbert potrebbe essere rilevante per il paradosso di Fermi. A causa della non linearità della curva, non importa quali risorse vengano usate, una civiltà letteralmente “divampa” e poi scompare, essendo capace di mantenere il massimo livello di produzione di energia per un periodo molto breve. Questo fenomeno, che possiamo chiamare “la Barriera di Hubbert”, potrebbe essere generalizzato e far sì che le civiltà industriali nella galassia abbiano vita molto breve. Il declino associato con l'esaurimento e con l'inquinamento, potrebbero rapidamente riportare una civiltà all'età della pietra, da cui non sarebbe più in grado di sviluppare ancora una tecnologia sofisticata. Questo è una barriera particolarmente ostica se si attiva l'effetto Seneca (forse potemmo chiamarla “la barriera di Seneca”). In ogni caso, questo effetto limita fortemente la durata di una civiltà.

Notate come questo modello sia differente dalla visione degli anni 50. Negli anni 50, credevamo in una espansione continua della produzione di energia; “saltellare” da una fonte all'altra era visto come un processo graduale. Ma il modello di Hubbert dice che saltare ad una nuova fonte energetica è invece un drammatico ostacolo ed il successo non è in alcun modo garantito. Potremmo aver fallito nel nostro tentativo di saltare al “livello successivo”, visto come fissione nucleare. Con il declino dei combustibili fossili, potrebbe essere troppo tardi per raccogliere sufficienti risorse da investire nell'energia nucleare. Alieni intelligenti potrebbero far meglio di noi nel raccogliere le risorse, ma la barriera di Hubbert rimane un grosso problema. Un problema con l'energia nucleare è che questa produce una forma particolarmente disastrosa di inquinamento: la guerra nucleare. La possibilità che civiltà aliene si autodistruggano regolarmente quando approdino all'era atomica è qualcosa che Asimov stesso propose nel suo breve racconto “Gli avvoltoi gentili”. Ma, supponiamo che non accada. Può la fissione nucleare fornire sufficiente energia per il viaggio interstellare? Molto probabilmente no.

L'uranio ed il torio, elementi fissili, sono estremamente rari nell'Universo. Da quello che sappiamo, si sono accumulati a livelli tali da fornire un buon EROEI solo nei pianeti simili alla Terra che hanno un'attività tettonica a placche. In corpi celesti come la Luna e gli asteroidi, l'uranio esiste in quantità estremamente piccole, dell'ordine di parti per miliardo e questo rende l'estrazione un'impresa impossibile. E' improbabile che un pianeta roccioso alieno possa avere molto più uranio del nostro. Così, facciamo un rapido calcolo. Oggi, la fissione nucleare genera una potenza di circa 0,3 TW sul nostro pianeta. Abbiamo detto che per espanderci nella galassia abbiamo bisogno di qualcosa nell'ordine dei 1000 TW. Questo è un obbiettivo lontano per noi, considerando che con le limitate risorse di uranio disponibili non siamo nemmeno sicuri che saremo in grado di mantenere attiva l'attuale flotta di reattori nucleari nei prossimi anni. Ma, assumendo miglioramenti tecnologici, una stima ottimistica ci dice che, con reattori autofertilizzanti, le risorse di uranio minerale potrebbero durare "30,000 anni" al tasso di consumo attuale. Forse, ma se dovessimo raggiungere i 1000 TW, finiremmo l'uranio in 10 anni. Questo numero ci dà una stima grezza del lasso di tempo che una civiltà può sostenere con una potenza abbastanza grande da premettere il viaggio nello spazio interstellare: decine o forse centinaia di anni ma non di più. Civiltà del genere, all'inizio, generano un grande picco di produzione di energia ma poi ci dovrebbe essere un rapido declino fino allo zero per mancanza di risorse combustibili. E' ancora la barriera di Hubbert in azione.

Eccoci quindi alla fusione nucleare, la bandiera dell'Era Atomica. La fusione può usare isotopi di idrogeno e l'idrogeno è l'elemento più abbondante dell'Universo. L'idea comune negli anni 50, era che con la fusione avremmo avuto energia “troppo a buon mercato da essere misurata”, così abbondante da poter passare fine settimana sulla Luna con l'intera famiglia. Be', le cose sono risultate essere molto più difficili di quanto sembrassero. In più di mezzo secolo di tentativi, non siamo stati capaci di ottenere più energia dalla fusione di quanta non ne avessimo impiegata per attivarla. Anche le “bombe a fusione” sono in realtà bombe a fissione migliorate da una fusione. Forse c'è qualche trucco che ora non riusciamo a vedere per far funzionare la fusione; forse siamo solo più stupidi della media delle civiltà della galassia. Potremmo anche affermare, tuttavia, che non si può ottenere dalla fusione un guadagno energetico, fatta eccezione per le stelle. Naturalmente, non possiamo esserne certi, ma il paradosso di Fermi potrebbe in realtà dirci, “guardate, la fusione nucleare controllata NON è possibile”:

Naturalmente, ci sono altre possibilità per una civiltà di sviluppare potenti fonti energetiche. Pensate ai buchi neri, per esempio. Se potete controllare un piccolo buco nero, gettarci dentro qualsiasi cosa genererà molta energia che potrebbe essere usata per il viaggio interstellare. I buchi neri sono molto difficili da controllare ed una civiltà che usi questa tecnologia potrebbe trovarsi di fronte al problema di inquinamento definitivo: la creazione di un buco nero grande abbastanza da risucchiare qualsiasi cosa intorno a lui, compresa la civiltà che l'ha creato. In ogni caso, anche i buchi neri sono soggetti alla Barriera di Hubbert, se continui a buttarci dentro materia, pian piano la esaurirai. Una civiltà basata sui buchi neri potrebbe divampare molto rapidamente per poi scomparire, lasciando solo un po' di buchi neri orbitanti.

Chiaramente, stiamo entrando in un reame di speculazioni, ma il punto che volevo rilevare con questo post è che il meccanismo di Hubbert genera un tempo di vita breve per le civiltà basate su risorse non rinnovabili. Genera anche problemi drammatici nel passaggio da una risorsa all'altra. Se questo è un comportamento generale per le civiltà, potrebbe spiegare il paradosso di Fermi. Gli esseri senzienti potrebbero essere comuni nella nostra galassia, ma la loro esistenza come civiltà industriale potrebbe essere estremamente breve. Così, non dovremmo essere sorpresi di non vedere astronavi aliene che girano intorno a noi. Forse avremo la fortuna di captare un segnale radio da una di queste civiltà, ma sarà come avvistare un'altra nave attraversando l'oceano. Ci sono tantissime navi che attraversano l'oceano, ma prendete un momento preciso ed un luogo specifico ed è molto improbabile che una sia visibile da lì.

Alla fine dei conti, la fonte energetica disponibile per una civiltà planetaria è limitata da ciò che può essere ottenuto dal sole del pianeta. Potrebbe essere molto: sulla Terra la quantità totale che vi arriva è di circa 100.000 TW che potrebbe essere aumentata con installazioni spaziali. Con questa risorsa, sarebbe perfettamente possibile arrivare a quei 1000 TW che abbiamo detto essere necessari per il viaggio interstellare. Ma siamo arrivati ad un concetto completamente diverso da quello che sta alla base del paradosso di Fermi: l'idea, tipica degli anni 50, che una civiltà continui ad espandersi sempre. Una civiltà basata su una fonte fissa di energia, una stella, potrebbe ragionare e comportarsi in termini completamente diversi. Si potrebbe concentrare sullo sfruttamento della stella (questo è il concetto della sfera di Dyson) piuttosto che sul viaggio interstellare.

Appena ci allontaniamo dalle cose che ci sono familiari, ci ritroviamo in un territorio sconosciuto. Come si manifesterebbe una civiltà con un simile potere? Qual è l'Universo che possiamo definire “naturale” in opposizione ad uno “artificiale”. L'unica cosa che possiamo dire è che le stelle sono dei motori meravigliosi: stabili, potenti, affidabili e di lunga durata. Se non fossero naturali, qualcuno avrebbe dovuto inventarle.... ma, naturalmente, sono naturali....sì...credo che lo siano..... .


Nota aggiunta dopo la pubblicazione: ho scoperto che John Greer ha esaminato questo argomento in termini analoghi nel 2007, (h/t Leanan)

5 commenti:

  1. Speculazione per speculazione hai trascurato un'ipotesi: potremmo non vedere astronavi attorno a noi perchè le altre civiltà si sono comportate diversamente adattando la propria esistenza al livello del flusso di energia che arriva dalla loro stella e usando frazioni estremamente limitate di risorse non rinnovabili presenti sul loro pianeta. Potrebbero essersi mantenute a numero limitato di individui e aver deciso di aumentare la loro conoscenza in termini puramente qualitativi e non quantitativi.
    Perchè escluderlo ? D'altronde anche una frazione della storia umana ha per qualche breve periodo avuto caratteristiche analoghe. Probabilmente così non avrebbero nemmeno mai raggiunto il punto di pensare a fare viaggi interstellari, che se umanamente sembrano rappresentare uno sviluppo "naturale", potrebbero non esserlo (o essere stato) per loro. Mirco

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  2. Tanto per continuare a speculare, c'è un mio amico appassionato dai astronomia che ritiene che gli UFO in realtà possano essere uomini di questo pianeta che vivranno nel futuro e che son stati capaci di ritornare nel passato .. nel nostro tempo. Beccatevi questa :)

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  3. Bardi, mi sembra che non parli mai dei modelli di civiltà stazionaria, che ben amministrano nel tempo le proprie risorse. Forse mi sbaglio, andrò a controllare tutti i sui scritti, ma dopo, perchè devo andare a lavorare. Il primo pensiero è duplice: da una parte lei parla di una civiltà "monolitica", che condivide sia il modello di sviluppo sia gli obiettivi (andare a cercare risorse altrove); dall'altra mi viene da pensare che per fortuna esistono queste barriere, perchè ci comporteremmo su nuovi pianeti come i colonizzatori europei nei confronti delle Americhe, annientando le civilità appena scoperte. Cosa che le civiltà aliene avrebbero già potuto fare nei nostri confronti se avessero potuto superare le stesse barriere sulle queli lei gentilmente ci fa riflettere.... Insomma, vorrei dire che dalle sue note traspare un sottofondo pessimista, legato alla constatazione che sfruttiamo (o vorremmo) molto l'intelligenza per avanzare nello spazio e colonizzarlo, e pochissimo per evitare di essere brutali nelle relazioni interpersonali (eventualmente, quindi, anche interstellari). Non è che barriere insuperabili ci sono anche nelle nostre possibilità di evoluzione celebrale?

    John Galanti

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  4. Ed io che pensavo che con la mia De Lorean alimentata a rifiuti avrei potuto andare ovunque!

    Il suo articolo è interessante ma parte, giustamente, da dati oggettivi e dalle nostre conoscenze di biologia ed altro.
    Continuiamo a dire che per la vita è necessario avere un pianeta più o meno grande come la Terra, ad una distanza da una stella più o meno come la nostra, con una stella più o meno grande come il Sole.
    Ma se la vita e le altre civiltà si fossero sviluppate su ben altri piani?
    Perché no? Perché il resto dell'Universo deve essere simile a noi?
    Mi sembra che sia un discorso antropocentrico, serissimo ed oggettivo, ma forse non reale.

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  5. Uno dei più semplici e affascinanti teoremi matematici è certamente l'ultimo teorema di Fermat.
    In qualche modo è collegato al numero 1729.
    1729 è il più piccolo intero ad essere la somma di due cubi in due modi diversi.
    1000 + 729 e 1728 + 1.
    Ma 1729 non è un cubo.
    Nessun cubo può essere la somma di due cubi, mai
    E neanche una potenza superiore al cubo può esserla, mai.
    Nel mondo fisico, però è difficile distinguere un cubo di lato 12 (12x12x12 fa 1728)da uno di lato radice cubica di 1729.
    Figuriamoci quando due cubi differiscono di una unità, ma il loro lato è un intero enorme.
    Da questa piccola digressione si può afferrare la sottilissima differenza tra la fisica e la matematica.
    I cinque solidi platonici sono un capolavoro di incastri numerico spaziali.
    Dove i primi numeri primi, le loro radici e i conseguenti intrecciati rapporti generano strutture incantevoli.
    Eppure nessuno di loro sembra essere la materia prima della materia fisica.
    La materia fisica non è un meccano fatto di cubi, se fosse così certe esistenze sarebbero impossibili.
    Ma non è neanche un'accozzaglia di solidi platonici, archimedei o poliedri di Johnson.
    Sembra una schiuma irrequieta, piuttosto.
    Un lichene fantasioso che divorando con esasperante lentezza la solida euclidea sostanza spaziale, genera la vita in tutta la sua magnificenza.
    Noi siamo già gli exaterrestri di noi stessi.
    Loro ci albergano nelle loro menti.
    Che siano fatti della nostra stessa carne o diversa, poco importa, anzi.
    Più fosse diversa più saremmo simili.

    Marco Sclarandis

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