Terra – indipendenti

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Quest’ultimo passo, se e quando avverrà, consentirà agli astronauti (e quindi all’essere umano) di diventare indipendenti dalla Terra sotto ogni punto di vista (perlomeno nei giorni di permanenza nello spazio profondo, ad esempio su Marte). In ogni caso è un obiettivo a lunghissima distanza dai giorni nostri. La NASA non fa neanche una previsione futura, ma se vogliamo proporre una data, quest’ultima la collocherei dopo gli anni ’40.

In quest’ultima fase Marte gioca un ruolo fondamentale, per cui vale la pensa fare un breve richiamo di geologia marziana. La storia di Marte si divide in tre epoche principali:

  • Noachiana: da 4,5 miliardi a 3,7 miliardi di anni fa. Un’epoca in cui Marte era soggetto ad un’intensa attività tettonica e idrogeologica. E’ il periodo della differenziazione emisferica.
  • Esperiana: dai 3,7 miliardi a 3 miliardi di anni fa. Il pianeta da umido si trasforma in secco. Si ha la formazione di permafrost profondo anche 100 metri. L’acqua si nasconde nel sottosuolo e nelle calotte polari. Il clima è sconvolto dalla perdita di atmosfera marziana. Si forma il Mons Olympus.
  • Amazzoniana: da 3 miliardi di anni fa ad oggi. E’ caratterizzata dalla fine dell’attività vulcanica, presenza di tempeste di polvere e riduzione violenta del ciclo dell’acqua.
Mappa geologica di Marte

Mappa geologica di Marte. Fonte: Marte – ultima frontiera. Edizioni Il Mulino

La geologia marziana è importante perché aiuta i planetologi ad identificare un possibile luogo di atterraggio della missione marziana. Di recente (Ottobre 2016) si è tenuto un primo workshop NASA con lo scopo di identificare una lista di 50 zone candidati di possibili luoghi di atterraggio. Possiamo riassumere il risultato nei seguenti punti:

  • sono siti in una fascia di latitudine compresa fra 50° intorno all’equatore. Si tratta di una fascia dal clima più mite ed uno spessore della crosta non troppo elevata tale da poter estrarre l’acqua dal sottosuolo con “più facilità”.
  • Devono trovarsi in una zona atta a garantire atterraggi sicuri e dare la possibilità agli astronauti di condurre operazioni logistico/scientifiche con facilità.
  • Devono garantire la possibilità di estrarre tonnellate di H2O in buona quantità sia per uso quotidiano che come riserva di emergenza.

Inoltre occorre studiare e sviluppare tecnologie per l’estrazione e l’uso di risorse locali, principalmente H2O e O2, non solo per la sopravvivenza ma anche come propellente per il rientro in orbita marziana prima di affrontare il viaggio di ritorno verso la Terra. Sono ancora allo studio o in fase di sperimentazione tecniche per l’estrazione H2O dal terreno marziano ed O2 dalla tenue atmosfera marziana. Le prossime missioni (2020) porteranno con sé i primi esperimenti (MOXIE) per implementare queste tecnologie basate su celle di combustibile inversa. Per quanto riguarda l’H2O sappiamo che ce né in abbondanza in tutto il Sistema Solare, e Marte non fa eccezione. Le sonde europee e americane come le MRO (Mars Reconnaissance Orbiter) che mappano la superficie ed il sottosuolo marziano ci hanno dato conferme che l’acqua su Marte è effettivamente presente nel sottosuolo nelle basse profondità del terreno dell’emisfero boreale (si stima che si possa trovare H2O anche circa 10 metri dal sottosuolo) sotto forma di ghiaccio. Ci sono buone ipotesi circa il fatto che miliardi di anni fa la maggior parte dell’emisfero boreale fosse completamente sommerso da un oceano d’acqua profondo poco meno di 50 cm, ma quando poi il clima è cambiato, questa sia in parte evaporata ed in altra parte percolata nel sottosuolo.

Il cratere da impatto Hephaestus Fossae fotografato da Mars Express (2207), situato ad un sistema di canali. I lobi indicano che l’impatto è avvenuto in una zona molto umida

Il cratere da impatto Hephaestus Fossae fotografato da Mars Express (2207), situato ad un sistema di canali. I lobi indicano che l’impatto è avvenuto in una zona molto umida. Fonte: m.esa.int

Ora il clima su Marte è secco, freddo e arido, in cui periodicamente si sollevano tempeste di sabbia in grado di oscurare l’intero pianeta per mesi bloccando la luce solare in superficie; questo vuol dire che gli astronauti non possono fare affidamento solo sui pannelli solari per ricavare l’energia per uso quotidiano. Inoltre, poiché Marte si trova a circa 1.5 u.a. la quantità di radiazione che riceve (a parità di altre condizioni) è meno della metà di quella che riceve la Terra, i pannelli solari non garantiscono una fonte di energia continua e affidabile. Occorre portare su Marte più generatori a fissione nucleari come i radioisotope thermoelectric generator (RTG) basati su 238Pu. Anche gli aspetti di comunicazione vanno rivisti: a causa della distanza variabile Terra – Marte, la comunicazione risente di ritardi compresi fra 4 e 20 minuti: i due pianeti non sono sempre in linea di contatto diretto, quindi un sistema di satelliti, o una parziale riprogrammazione delle sonde tuttora al lavoro su Mate, è necessaria per garantire un sistema di trasmissione radio affidabile ad alta velocità con correzione degli errori.

La (sfortunata) sonda Schiaparelli ci ha ricordato anche la difficoltà di atterrare su Marte: bassa densità atmosferica e gravità di 1/3 di quella terrestre son fattori che di certo non aiutano per rallentare la velocità di discesa di una sonda, anche con paracadute aperto. Per permettere un atterraggio in condizioni di sicurezza di un equipaggio umano occorre studiare e testare nuove metodologie di rallentamento di velocità (aerobraking) che sfruttano come freno la tenue atmosfera marziana unitamente alla retro propulsione, cioè razzi ausiliari in grado di effettuare un atterraggio morbido su Marte. Il successo dell’operazione dipenderà da una navigazione precisa, dalle condizioni meteo e dalla conoscenza delle forze che agiscono sulla navicella.

Se per atterrare su Marte si richiedono sforzi tecnologici ancora in fase di sviluppo, lo stesso possiamo dire per la fase di rientro a Terra. Si suppone (perché ancora nulla è definito, ci sono solo ipotesi in merito) che il rientro da Marte avvenga in due fasi: una prima fase gli astronauti lasciano il suolo marziano con un veicolo di ascensione chiamato MAV (Mars Ascending Vehicle – di cui non esiste ancora alcun progetto) fino ad effettuare un rendevouz in orbita marziana con il veicolo di supporto costituito dal modulo abitativo, il modulo SM e CM della Orion; questo complesso viene spesso chiamato ERV (Earth Return Vehicle). A questo punto, una volta trasferiti gli astronauti nel modulo abitativo, sganciato nuovamente il MAV e posto in orbita di parcheggio marziana, gli astronauti possono lasciare l’orbita marziana per il viaggio di ritorno secondo precisi trasferimenti orbitali (orbite di trasferimento a minima energia nello spazio 3D) fino al rientro nei pressi del sistema Terra – Luna. Si tratta di una fase che, si pensa, sarà affrontata nel decennio degli anni ’30, ma le agenzie spaziali hanno definito, anche in questo caso, delle linee guida/caratteristiche che il MAV dovrà/potrebbe avere:

  • Potrebbe essere un modulo pre assemblato ed inviato dalla Terra assieme alla strumentazione con una serie di vettori SLS – cargo negli anni precedenti la missione umana.
  • Dovrebbe essere in grado di recuperare il combustibile da solo, estrarlo dalla superficie/sottosuolo/atmosfera marziana e stivarlo in un luogo sicuro per anni.
  • Il MAV dovrà garantire l’operatività per anni nello spazio sotto l’effetto di radiazione e agenti atmosferici marziani.
  • Il MAV deve garantire la sopravvivenza fino alla fase di rendevouz in orbita marziana con l’ERV. Una volta esaurito il suo compito sarà mantenuto in orbita marziana di parcheggio.
Prototipo Earth Return Vehicle: SM, CM (Orion), habitat e MAV

Prototipo Earth Return Vehicle: SM, CM (Orion), habitat e MAV. Fonte: edizione italiana de http://www.nationalgeographic.it – Novembre 2016

Abbiamo quindi tutti gli elementi da mettere insieme per ipotizzare un possibile scenario di missione. Ovviamente non c’è ancora nulla di definitivo (troppo presto) ma, anche qui, possiamo idealizzare come avrà luogo una possibile missione umana su Marte. Quello che segue è solo una delle tante ipotesi che prevedono l’utilizzo di tecnologie descritte nei paragrafi precedenti.

  • Decenni prima della missione umana, e una volta identificato il luogo di atterraggio, una serie di lanci a cadenza programmata (sfruttando le opposizioni marziane) con vettori SLS cargo premuniranno a portare le attrezzature, strumentazioni su Marte e il MAV in orbita marziana. L’uso della tecnologia SEP sarà fondamentale.
  • Al momento opportuno, dalla Terra una serie di vettori SLS porterà in orbita lunare DLRO i moduli abitativi, mentre in seguito, un secondo vettore SLS porterà in orbita terrestre gli astronauti all’interno di una navicella Orion (SM e CM).
  • Una volta testata la strumentazione di bordo gli astronauti proseguono per un rendevouz in DLRO (o dopo lo spostamento in orbite HEO) per agganciare il modulo abitativo. Da qui si inseriranno in orbita di trasferimento per Marte con tecnologia chimica (non SEP) fino a entrare dopo 7/9 mesi di viaggio in orbita marziana.
  • Rendevouz in orbita marziana con il MAV e discesa su Marte e permanenza di circa 500 giorni sul suolo marziano (sopravvivere per tutto questo periodo); quindi ascesa con MAV e incontro con l’ERV. Il MAV si sgancia e si metter in orbita di parcheggio per essere riusato in un futuro.
  • Inserimento in orbita di ritorno per la Terra, e dopo 7/9 mesi di viaggio, rientro in orbita DLRO lunare, dove è posto il modulo abitativo e il SM. La sola navicella Orion (CM) s’inserisce in orbita di trasferimento terrestre e ammara nel Pacifico.

Come si vede, si tratta di una serie di operazioni complesse che non appartengo ancora al bagagli o di competenze attuali, visto che ancora deve essere sviluppata o testata la tecnologia su cui si basano. Tuttavia, come dice la NASA, Marte è un obiettivo molto ambizioso e “alla nostra portata”. Occorre sicuramente tantissimo denaro (centinaia e centinaia di miliardi di dollari) ma soprattutto una ferrea forza di volontà. Si tratta di un obiettivo che, se attuato, vedrà coinvolgere paesi e culture differenti, per collaborare per un unico grande e nobile obiettivo: la sopravvivenza del genere umano. Nello spazio, infatti, la collaborazione è necessaria per il raggiungimento di un obiettivo: non esistono frontiere o muri che dividono perché tutto, anche l’operazione più banale, può essere complicato e diventare fonte di problemi.

Un’ultima osservazione: quando si parla di “andare su Marte” viene da chiedersi perché spendere soldi per andare su un altro pianeta? Ebbene, la risposta è semplice: per migliorare la qualità della vita sulla Terra. Gli investimenti in tecnologie spaziali hanno sempre ricevuto, ancor prima delle missioni Apollo, un enorme ritorno in tantissime aree. Il fatto di portare l’Uomo ai suoi limiti, impone lo sviluppo di nuove metodologie cui tutti usufruiranno nella vita di tutti i giorni: riciclo dei rifiuti, produzione di cibo, tecnologia medica, trasporti, sostenibilità ambientale, elettronica, medicina, biotecnologie, IT ….

La NASA mantiene un sito (spinoff.nasa.gov) in cui elenca annualmente tutti brevetti che sono stati registrati  in diversi ambiti grazie agli investimenti ndell’industria aerospaziale (è già disponibile quest’anno quello relativo del 2016).  Infine, lo spazio è anche prestigio e lustro per i paesi che investono nei progetti che partecipano all’obiettivo.

Riferimenti e bibliografia

Preparare il terreno

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Oltre alla progettazione e collaudo di sistemi vitali per la sopravvivenza dell’essere umano nello spazio profondo e su Marte, è necessario avere un vettore in grado di portarci in orbita marziana.  Lo sviluppo di un razzo pesante congiuntamente ad una navicella per l’equipaggio umano rappresenta il secondo dei tre passi fondamentali per pensare un domani, di portare l’Uomo su Marte (Providing Ground). Le tre milestone non sono indipendenti e sono portati avanti con sforzi notevoli dalla NASA assieme ai maggiori carrier aerospaziali americani ed europei.

Facciamo un passo indietro: il progetto Constellation, che sembrava definitivamente chiuso dal Congresso, ha ripreso vita nel 2010 con il nome #JourneyToMars. All’interno di questo progetto la NASA ha ricevuto il via libera per la costruzione di un razzo vettore pesante e di una capsula di trasporto dell’equipaggio. La NASA ovunque non usa esplicitamente il termine Marte, usa lo slogan “Luna, spazio profondo e oltre”, lasciando intendere che tutto ciò che è sviluppato per il progetto #JourneyToMars sarà usato per preparare il terreno per una futura missione umana su Marte.

Preparare il terreno: la NASA sta procedendo in maniera spedita alla costruzione della capsula Orion, la quale rappresenterà il modulo di comando per viaggiare nello spazio profondo. La capsula ricorda molto da vicino le capsule Apollo utilizzate per le missioni lunari degli anni ’60, di cui è l’erede, ma è un po’ più grande. L’Orion, infatti, avrà un volume di cica 9 m3 e sarà in grado di ospitare un equipaggio da due a sei astronauti. Ha un diametro di 5 m; questo vuol dire che è grande circa una volta e mezzo la capsula Apollo, e come quest’ultima, è riutilizzabile. Il primo test sul campo è già stato compiuto il 5 dicembre 2014, quando l’Orion, lanciata da un razzo Delta IV, ha percorso due orbite intorno alla Terra all’altezza di 5800 Km prima di ammarare nel Pacifico (test ETF-1). Unitamente al modulo di comando, l’ESA sta progettando il modulo di servizio (SM), il quale avrò il compito di fornire energia (pannelli solari), propulsione, H2O e O2 alla capsula. l contraenti del progetto sono la Lockheed Martin (CM) e l’ESA (SM).

La NASA sta lavorando anche a un nuovo vettore di lancio (da quando ha dismesso lo Shuttle, non ne ha neanche uno) in grado di portare l’Orion fuori dall’orbita terrestre. Si tratta dello Space Launch System (SLS) la cui avionica è sviluppata dalla Boeing e i razzi di propellente solido sono in appalto alla Orbital ATK.

SLS sarà disponibile in diverse configurazioni:

  • SLS Block 1: è la versione ‘base’ del vettore. Alto 98 metri è in grado di alloggiare al suo interno la capsula Orion. Con un peso di 2608 t, sarà in grado di generare una spinta del 15% in più del Saturn V (quello usato dalle missioni Apollo). La sua capacità di carico (70 t) sarà circa 3 volte quello dello Shuttle. La versione base avrà un secondo stadio basato su Interim Cryogenic Propulsion Stage (IPCS).
  • SLS Block 1B: Questa versione alta 110 metri, possiede anche uno stadio Exploration Upper Stage (EUS) addizionale per un payload aggiuntivo di circa 115 t. Si può pensare che tale stadio venga utilizzato per portare in orbita un modulo abitativo per gli astronauti.
  • SLS Block 2 Cargo: con 110 t di carico, è la versione SLS più grande e rappresenta il cavallo di battaglia della NASA per le missioni Deep Space per il trasporto moduli, habitat, MAV (Mars Ascending Vehicle).
Vettore SLS

Vettore SLS nelle diverse configurazioni di progetto. Fonte: https://www.nasa.gov/exploration/systems/sls/

Il vettore SLS sarà alimentato da due booster a stato solido a cinque segmenti laterali, e da quattro motori RS 25. Si tratta di motori già usati dallo Space Shuttle e aggiornati e riadattati per l’SLS; data la loro longevità d’uso (più di 30 anni di esperienza) si tratta di motori molto affidabili con più di 3000 accensioni per un totale di un milione di secondi di operatività. Una volta terminato, sarà il razzo più potente al mondo.

Il propulsore dello stadio centrale, e quindi dell’EUS, sarà alimentato invece da 4 motori RL 10; anche in questo caso la NASA ha fatto puntato sull’affidabilità. Si tratta di un propulsore risalente agli anni ’50, già usato per le sonde Voyager e per la New Horizons (quella che ha effettuato il fly – by a Plutone). Utilizza H2 e O2 come carburante / ossidante, ha affrontato più di 400 voli e 3 milioni di secondi di operatività. Il testing e la certificazione del motore è affidato alla Aerojet Rocketdyne.

I razzi a propellenti solido/liquido sono fondamentali per mandare in orbita una sonda, una capsula o anche un modulo abitativo, tuttavia, possiedono costi elevatissimi. Bisogna tener presente che la massa di un razzo è rappresentata dall’85% al 95% dal carburante (dipende se combustibile solido/liquido), quindi vuol dire che su 100 Kg di razzo, solo 10 Kg sono disponibili per il carico utile. In ottica di una missione su Marte si rende necessario spedire con congruo anticipo (e rispettando le finestre di lancio disponibili) le attrezzature, la strumentazione scientifica, … e utilizzare reazioni chimiche che avvengono nelle camere di combustione dei razzi (perché questo si tratta) avrebbe un costo molto alto. Per questo la NASA ha esteso il campo di ricerca della propulsione alla Solar Electric Propulsion (SEP). La SEP usa energia solare per accelerare particelle ionizzate di Xenon (Xe) a velocità altissime; delle celle solari raccolgono raggi solari e li trasformano in energia elettrica. Questa energia è immessa in una cella ad alta efficienza che garantisce una piccola accelerazione ininterrotta; gli elettroni, intrappolati in un campo magnetico, sono usati per ionizzare Xe fino allo stato di plasma che viene espulso dagli ugelli. Per il principio di azione e reazione, la sonda/navicella riceve una spinta in direzione opposta. Il vantaggio principale è che si basa su una tecnologia riusabile ma richiede la progettazione di pannelli solari ad alta efficienza, resistenti e affidabili. La SEP garantisce un’accelerazione piccola ma costante per periodi lunghi. Si può pensare di renderla utilizzabile come mezzo di propulsione dell’ultimo stadio di un vettore cargo per il trasporto del payload necessario per una missione marziana, quali habitat, MAV, orbiter marziani. In generale tutta l’attrezzatura che, con largo anticipo, sarà inviata su Marte in attesa dell’arrivo di equipaggio umano.

Un altro aspetto da non trascurare risponde alla domanda seguente: con quali tute gli astronauti useranno sulla superficie marziana? Problema da non sottovalutare, in quanto, tutte le tute usate per le esplorazioni spaziali dagli anni ’60 ad oggi sono monouso e non sono progettate per essere manutenute dall’equipaggio. In caso di problemi, si riportano a Terra e, nel frattempo, si usa quella di riserva. Una cosa del genere in ottica marziana non è proponibile, bisogna rivedere e riprogettare il concetto di tuta spaziale. La NASA ha ideato una serie di tute note come famiglia Z, che cerca di rispondere a questa caratteristica, insieme ad altri requisiti  considerati basilari. Le nuove tute (l’ultimo prototipo si chiama Z2) devono fornire un supporto vitale primario all’astronauta PLSS (Primary Life Support System).

Le caratteristiche principali delle tute Z possono essere così riassunte:

  • Possedere la capacità di rimozione della CO2 (ricordiamo che il 98% dell’atmosfera marziana è composta di anidride carbonica).
  • Proteggere gli astronauti dalle radiazioni.
  • Controllare umidità e temperatura per un confort ragionevole.
  • Avere una grande durata di utilizzo e garantire comunque una buona mobilità.

Un aspetto che finora abbiamo trascurato nella descrizione degli aspetti di missione è l’alimentazione. Possiamo anche avere la tecnologia per costruire il razzo più potente, la tuta/habitat in grado di proteggerci dalle radiazioni, ma se non ci preoccupiamo dell’alimentazione non possiamo neanche raggiungere la Luna.

Che cosa mangeranno gli astronauti per tutta la durata del viaggio e la loro permanenza su Marte? Anche in questo caso è impossibile pensare di portare tutto il necessario “da casa”: semplicemente non è proponibile e impossibile da conservare.  L’unica soluzione (per ora) plausibile si basa su fatto che gli astronauti dovranno imparare a coltivare, crescere e procurarsi il cibo a bordo ed in situ. Parte de cibo può essere indubbiamente trasportato in forma di barrette altamente energetiche (700/800 al), e su questo, la NASA sta già lavorandoci in vista delle prime missioni della Orion (anni ’20). La coltivazione del cibo nell’habitat e su Marte è una delle sfide più complesse di tuta la missione. Già oggi sull’ISS ci sono esperimenti in corso che riguardano la crescita di verdure, pomodori, crescione ed alcuni legumi (esperimenti VEG1, VEG2, VEG3), con coltura idroponica sotto illuminazione a led artificiale.

I risultati sono buoni, nel senso che il cibo è edibile ma su questo fronte siamo solo ad uno stadio embrionale. L’uso dell’acqua per la coltura idroponica raggiungerebbe anche lo scopo di creare una naturale schermatura dell’habitat dalle radiazioni esterne, oltre ovviamente a creare un hobby per gli astronauti. Per quanto riguarda la coltivazione di prodotti agricoli su Marte, siamo ancora nelle ipotesi. Nonostante sappiamo che su Marte esistono tutti gli elementi nutritivi di cui una pianta ha bisogno, certamente non lo sono nelle giuste quantità, proporzioni e distribuzione sulla superficie. Tra l’altro si pensa che sotto la superficie di Marte l’acqua  (presente in abbondanza) sia contaminata da perclorati (ClO4). SI tratta di composti buoni per i razzi (sono ottimi propellenti) ma molto tossici per l’ambiente e per l’uomo. Essi, infatti, si accumulano nel collo e, col procedere, possono provocare tumori alla tiroide. Siccome ancora su Marte non possiamo fare esperimenti di questo tipo, gli scienziati stanno cercando di riprodurre una coltivazione marziana sulla Terra in ambiente simulato, in altre parole in un terreno molto simile a quello marziano ottenuto basandosi sui dati di spettroscopia inviate dalle sonde che lo stanno mappando (come la MRO).

Dove invece negli ultimi anni la tecnologia spaziale ha fatto progressi, è nella costruzione di moduli abitativi gonfiabili per l’ISS. Siccome si gonfiano nello spazio, questi occupano un volume molto ridotto quando sono stivati nel payload del razzo. L’azienda Bigelow Aerospace ne ha prodotti diversi in altrettante misure che possono contenere fino a sei astronauti; alcuni di essi sono stati già testati nel 2016 come moduli aggiuntivi agganciati all’ISS con discreto successo. Un secondo a altrettanto valido test per questi moduli, ed in generale per tutta la tecnologia spaziale sviluppata nei decenni a venire, sarà quello dello spazio profondo. Senza addentrarci in una missione di test su Marte, e prima di una missione del tipo “prova generale” su un satellite di Marte, un buon campo di prova è lo spazio nell’intorno dell’orbita lunare. Si tratta di una serie di missioni (EM1 ed EM2) in una zona di spazio in cui è possibile inserire in orbita lunare un corpo di massa modesta (rispetto alla Terra, Luna e il Sole). Stiamo parlando di orbite DLRO (Distant Lunar Retrograde Orbit): orbite temporaneamente stabili su breve periodo (centinaia di anni) in cui consolidare tutte le competenze acquisite e le tecnologie implementate.

L’orbita (prograda) si trova in un intorno della Luna a una distanza di circa 40000 miglia, oltre i punti lagrangiani L1 e L2 del sistema Terra – Luna. Il progetto di missione si chiama ARM (Asteroid Redirect Mission) e consiste nell’invio di una sonda presso un NEO (Near Earth Object), prelevare da esso un masso e porlo in un’orbita DLRO. In seguito, una missione umana, raggiungerà il nuovo satellite artificiale, per testare le capacità in situ di analisi/perforazione e riportare a terra una tonnellata di roccia.  Si tratta di una missione ambiziosa che intende dimostrare:

  • La capacità di lavorare nello spazio profondo con una missione di lunga durata ad una distanza di pochi giorni (circa 10) dalla Terra.
  • La capacità di rendevouz e di estrazione materiale.
  • Le capacità di comunicazione ed EVA in spazio profondo.

L’esito positivo di queste missioni consentirà all’industria aerospaziale, di affrontare il terzo ed ultimo passo del progetto marziano: indipendenza terrestre.

(continua qui)

Riferimenti e bibliografia

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