Cannone a bobine

Un cannone a bobine muove un proiettile con il solo magnetismo, senza polvere. Una fila di bobine di filo avvolte intorno alla canna trascina un proiettile di ferro lungo di essa, una bobina dopo l'altra. Charles Grafton Page descrisse un "fucile magnetico" nel 1845, e nel 1903 il tentativo di Kristian Birkeland di vendere un cannone elettromagnetico finì con un cortocircuito.

Che cos’è

Un cannone a bobine lancia un proiettile con il solo magnetismo. La sua canna è un tubo diritto circondato da bobine di filo isolato, disposte una dopo l’altra. Quando la corrente attraversa una bobina, questa attira un pezzo di ferro verso il suo centro. Bobine accese a turno trascinano il proiettile lungo il tubo sempre più veloce, e il proiettile esce dalla bocca con la velocità acquistata. Niente brucia e nessun gas lo spinge. È detto anche fucile di Gauss. Si distingue dal cannone a rotaie, un altro lanciatore elettromagnetico, che usa due rotaie invece di bobine.

Il primo cannone a bobine fu una curiosità scientifica. In seguito Kristian Birkeland cercò di venderne uno come pezzo d’artiglieria, senza successo, e negli anni Settanta alcuni ingegneri costruirono su questo principio modelli di lanciatori destinati a mandare nello spazio rocce estratte sulla Luna.

Come funziona

Una bobina percorsa da corrente risucchia una barra di ferro e la tiene sospesa.

Una corrente che percorre una bobina di filo crea un campo magnetico, più intenso dentro la bobina e lungo il suo asse. Un pezzo di ferro in quel campo diventa a sua volta un magnete, con i poli orientati in modo da essere attirato verso il punto in cui il campo è più forte, il centro della bobina. Nel 1845 Charles Grafton Page descrisse come una bobina potesse sollevare una barra di ferro fino al suo centro e trattenerla lì, sospesa senza alcun sostegno visibile.

Quella stessa attrazione rende l’apparecchio difficile da costruire. Le bobine accelerano il proiettile solo se agiscono una dopo l’altra, nell’ordine giusto e al momento giusto, e sia Page sia Birkeland dovettero trovare il modo di ottenerlo.

Il proiettile non deve per forza essere di ferro. Può portare una bobina propria, e allora le forze tra la corrente di quella bobina in movimento e quelle delle bobine della canna lo spingono in avanti. Birkeland provò questa soluzione in una versione successiva del suo cannone, e i modelli di mass driver degli anni Settanta portavano il carico in un contenitore, il “bucket”, spinto da una fila di bobine motrici.

Le bobine richiedono correnti molto intense per istanti brevissimi, e fornirle è la parte difficile. Un guasto può liberare in un colpo l’energia accumulata sotto forma di arco o di cortocircuito, come accadde durante la dimostrazione di Birkeland del 1903.

Storia ed evoluzione

Page presentava il suo fucile magnetico del 1845 come uno strumento da dimostrazione.

Charles Grafton Page, professore di chimica e farmacia ed esaminatore all’Ufficio brevetti degli Stati Uniti, studiava l’attrazione di una bobina su una barra di ferro. In un articolo su un nuovo motore elettromagnetico, pubblicato nel 1845 sull’American Journal of Science, descrisse un “galvanic or magnetic gun”. Bobine di filo poste una dopo l’altra formavano la canna, montata con un calcio e una culatta, e lanciavano una barra di ferro lungo di essa. Page lo presentava tra strumenti di ricerca e di svago. Come funzionario dell’Ufficio brevetti non poteva brevettare nulla, perciò pubblicava le sue invenzioni. La stessa attrazione di una bobina su una barra azionava i motori che costruiva, parenti del motore elettrico.

Kristian Birkeland, dal 1898 professore di fisica all’università di Kristiania, l’attuale Oslo, studiava l’aurora boreale e cercava denaro per le sue ricerche. Lavorando con magneti potenti pensò a un uso militare e nel 1901 fondò una società per sviluppare un cannone il cui proiettile magnetico sarebbe stato spinto dal campo di una fila di bobine disposte lungo la canna. Brevettò il progetto. Il 6 marzo 1903 lo presentò nell’antica sala delle cerimonie dell’università, davanti a un pubblico che comprendeva rappresentanti dei fabbricanti d’armi Armstrong e Krupp; le memorie di Eyde, e diversi racconti basati su di esse, indicano il 6 febbraio. Un cortocircuito dentro il cannone produsse un lampo enorme e un rumore assordante. Il proiettile colpì comunque il suo bersaglio di tavole spesse, ma Birkeland non vendette né il brevetto né un solo cannone.

Le prove del cannone ebbero anche un altro esito. Birkeland aveva visto che un arco elettrico in un campo magnetico si allarga in un disco. All’inizio del 1903 conobbe l’ingegnere Sam Eyde, che cercava un arco elettrico molto grande per ricavare composti dell’azoto dall’aria, e il 20 febbraio 1903, in base a un accordo con Eyde, Birkeland depositò una domanda di brevetto per un metodo basato su un arco del genere. Il processo Birkeland-Eyde produsse fertilizzanti dall’aria e portò alla fondazione della Norsk Hydro.

Mass Driver One, costruito al MIT nel 1977, spingeva un piccolo contenitore attraverso una fila di bobine motrici.

Negli anni Settanta il principio tornò per uno scopo pacifico. Il fisico Gerard O’Neill propose di lanciare nello spazio materiali estratti sulla Luna con un mass driver, una lunga linea di bobine che accelerano contenitori di roccia lunare. Lanciare materiali da costruzione dalla superficie terrestre sembrava troppo costoso, e la debole gravità della Luna ne faceva una fonte migliore. Nel 1977 alcuni studenti del Massachusetts Institute of Technology, con Henry Kolm e O’Neill, costruirono un modello funzionante, Mass Driver One, e lo presentarono a un convegno sulla produzione nello spazio, a Princeton. Seguirono versioni più grandi a Princeton e al MIT.