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Terra – indipendenti

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

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

Terra – dipendenti

Ora che sappiamo almeno quando sfruttare le finestre utili di lancio per una futura missione su Marte, tralasciamo per ora gli sforzi economici e affrontiamo il problema realizzativo dal puro punto di vista tecnico/scientifico. Possiamo dire che comunque richiede uno sforzo notevole; per questo è opinione della NASA che il progetto di missione va pianificato con estrema cautela e nei minimi dettagli.

La NASA, con il NASA Authorization ACT del 2010 ha intrapreso un lungo progetto chiamato #JourneyToMars, con lo scopo di sviluppare le capacità tecnologiche in grado di portare un equipaggio umano su un asteroide negli anni ’20, quindi, un possibile equipaggio umano su Marte dopo gli anni ’30. E’ un progetto di lunga durata molto ambizioso la cui riuscita, unitamente ad una ferrea forza di volontà, dipenderà anche dai finanziamenti che il Budget federale le mette a disposizione e dalla collaborazione delle altre agenzie spaziali (ESA, Roscosmos) e compagnie private (SpaceX). Il piano della NASA si sviluppa in tre passi fondamentali: Earth Reliant, Providing Ground, Earth Indipendent. Vediamo di spiegare gli obiettivi che si intende raggiunge ad ogni passo.

Noi siamo Terra – Dipendenti: è un dato di fatto. Siamo evoluti e adattati su questo Pianeta in base ai cambiamenti ambientali cui è stato sottoposto per 4,5 miliardi di anni. Per affrontare lo spazio è necessario investire in tecnologie che ci permettano di vivere all’esterno dell’atmosfera terrestre e di testare i risultati non solo in un ambiente simulato, ma anche nello spazio vero e proprio. Dal Novembre 2000, esiste un avamposto spaziale ininterrottamente abitato che orbite sopra la nostra testa a un’altitudine di circa 400 Km: si tratta della ISS. Essa rappresenta un valido campo di prova per testare le apparecchiature scientifiche e tecnologie necessarie per affrontare lo spazio là fuori; inoltre è un banco di prova essenziale per valutare quali sono i cambiamenti biologici e sociali dell’essere umano nelle missioni di lunga durata. L’obiettivo della NASA è prima di tutto sfruttare l’operatività dell’ISS almeno fino al 2024 (durata teorica della stazione spaziale), favorendo anche l’ingresso di società private (ad esempio SpaceX) nel trasporto di attrezzature, risorse ed equipaggio da e verso orbite LEO (Low Earth Orbit) come quella dell’ISS.

L’ISS, che si trova a poche ore di volo dalla Terra (6 ore con una Sojuz), consente di fare attività utili riguardo test su materiali, sistemi di controllo ambientale, riciclo, sviluppo di sistemi per lo spazio profondo, sistemi di life support (tutto ciò che consente all’essere umano di sopravvivere in maniera autonoma in ambiente di microgravità). Nonostante la vicinanza relativa dell’ISS, gli astronauti affrontano in ogni caso una sfida ad altissimo rischio; in previsione di viaggi più lontani (come ad esempio più in la della Luna) e per periodi più lunghi uno studio della NASA ha classificato i potenziali rischi in cinque categorie di base.

 

I rischi nello spazio, secondo uno studio della NASA

I rischi nello spazio, secondo uno studio della NASA. Fonte: nasa.gov

  1. Livello di radiazioni
  2. Assenza o ambienti con bassa gravità
  3. Isolamento
  4. Distanza
  5. Ambiente chiuso e ostile

Radiazioni: nello spazio, gli astronauti si trovano in un ambiente ad alto rischio radiativo, dovuto dalla presenza di due sorgenti principali. La prima è il Sole: periodicamente esso espelle un’enorme quantità di materia che sprigiona un’enorme di energia. Ogni qualvolta avviene un CME (Coronal Mass Ejection), o un flare solare, gli astronauti sono investiti da una miriade di particelle cariche (perlopiù protoni) dannosi per la salute. Nella maggior parte dei casi sono schermati dalla struttura della navicella; inoltre è possibile formulare dei modelli che parzialmente consentono di prevedere questi fenomeni per tempo. La seconda sorgente sono i raggi cosmici, dai quali è più difficile da proteggersi: non si tratta solo di protoni ma anche di nuclei di He che possono colpire la navicella anche a velocità prossime a quella della luce.

Noi sulla Terra siamo protetti dalla magnetosfera, una zona dinamica dello spazio controllata dal campo magnetico terrestre la cui forma è modellata dal vento solare, mentre per gli astronauti in un’astronave in viaggio verso Marte, se non ci sono schermature, sarebbero molto pericolose. Il corpo umano sarebbe in serio pericolo perché procura danni alla salute. Così come ha mostrato un recente studio su topi maschi, (NG di Novembre 2016), l’esposizione per lunghi periodi a dosi elevate di radiazioni porta a:

  • Ansia e disturbi cognitivi.
  • Depressione
  • Capacità decisionali compromesse.
  • Rischio di cancro, nausea, vomito anoressia e insonnia.

Quali sono le possibili soluzioni allo studio?

  1. Aumentare la massa del materiale di cui è rivestita l’astronave; ma questo vuol dire aumentare anche la massa del carico da portare in orbita e quindi maggiore costo. I costi per mandare in orbita una sonda/ astronave dipendono (anche) da quanta massa è costituito il razzo. Per massa intendiamo tutto compreso, quindi sia propellente sia carico utile (payload). Una conseguenza dell’equazione fondamentale del razzo (legge di Tsiolkovsky), segue che la maggior parte della massa è data dal propellente in una percentuale che varia da 85% al 95% a seconda che si utilizzi propellente liquido o solido. In ogni caso, questo vuol quasi dire che circa il 90% del peso è a perdere perché è combustibile che brucia. E’ d’obbligo ottimizzare al meglio la quantità di carico da portare in orbita, altrimenti i costi crescono, e di parecchio.
  1. Una seconda soluzione è di rivestire l’astronave con una sostanza, i cui elementi costituenti, siano (circa) dello stesso ordine di grandezza delle particelle che la colpiscono. Per esempio si può pensare di rivestire l’interno dell’habitat di H2O in maniera opportuna. Questa soluzione ha un duplice scopo: oltre a proteggerci dalle radiazioni, consente agli astronauti di coltivare in loco (parte) delle risorse alimentari di cui hanno bisogno per il viaggio. E’ impensabile, infatti, considerare di trasportare tutte le scorte alimentari per un viaggio di circa 1000 giorni. Certamente, dovranno portarsi da Terra cibi molto energetici disidratati da scaldare al momento, ma provvedere alla propria salute coltivando ortaggi e verdure garantiscono l’auto sostentamento e alza il morale.
  1. L’ultima soluzione c’è data dalle nano tecnologie: si pensa di creare materiale costituito da nano tubi di carbonio, boro e azoto, in cui intrappolato nella struttura atomica interna c’è un atomo di idrogeno n grado (per urti) di respingere le radiazioni.

In ogni caso, per maggior sicurezza, la NASA pensa che una soluzione integrativa possa venirci di aiuto con la farmacologia, con un trattamento medico con pillole.

Gravità: siamo così abituali alla gravità sulla Terra sin da quando siamo nati, che ci rendiamo conto in poche occasioni (quando soffrite di mal di schiena la gravità si sente eccome !!!!). Ma nello spazio, e in ottica di una missione di andata e ritorno da Marte, gli astronauti devono trascorrere il viaggio a gravità zero, arrivare su Marte con una gravità circa 30% di quella terrestre, quindi nuovamente a gravità. L’assenza di gravità, o anche solo la permanenza in ambienti di microgravità come l’ISS, influisce negativamente sull’orientazione spaziale, sulla vista e sull’equilibrio. Le ossa perdono minerali, la densità ossea diminuisce di circa 1% al mese con il rischio di osteoporosi.

I muscoli si atrofizzano, quindi è necessario fare una continua attività fisica giornaliera per rimanere in forma; i bulbi oculari s’ingrossano, col risultato che cambia la qualità della vista (la gradazione degli occhiali da vista non va più bene). Per recuperare il calcio perso bisogna integrare l’alimentazione con vitamina D, inoltre il comportamento dei fluidi nello spazio in ambiente di microgravità è diverso da quello terrestre. Questo significa che il sangue scorre in maniera differente, tende ad accumularsi verso l’alto (la gravità è minore), quindi il viso tende a ingrossarsi. Il sangue è costituito anche dall’emoglobina, cui si lega il ferro (che serve per trasportare l’ossigeno). Un accumulo di sangue comporta anche un accumulo di ferro; quando il Fe è in eccesso, gli organi non funzionano più bene, s’ingrossano e si rischia l’emacromatosi.

Tim Peake ha corso la maratona di Londra

Tim Peake ha corso la maratona di Londra 2016 in 3h 35m dalla ISS. Fonte: BBC

Isolamento: per più di 1000 giorni un gruppo di persone sono state rinchiuse in un ambiente ristretto dell’habitat o confinate in un ambiente ostile come quello marziano isolate da tutti. Per la buona riuscita della missione è fondamentale la cooperazione fra tutti gli elementi dell’equipaggio, quindi bisogna cercare di evitare problemi di umore e ridurre gli attriti dovuti a problemi interpersonali. Bisogna collaborare per la sopravvivenza. A oggi una delle missioni umane nello spazio di durata più lunga è quella di Scott Kelly e Michail Kornienko: 340 giorni nello spazio, circa 1/3 della durata di una missione marziana (essendo inoltre al riparo da radiazioni). Scott Kelly inoltre possiede un fratello (anch’esso astronauta) e questo ha permesso ai ricercatori della NASA di cogliere “due piccioni con una fava”, poiché hanno potuto studiare meglio gli effetti della lunga permanenza spaziale di Scott per confrontare i risultati con quelli di suo fratello che è geneticamente simile (l’hanno usato come campione umano di confronto).

 I gemelli Scott e Mark Kelly

I gemelli Scott e Mark Kelly. Fonte: nasa.gov

Distanza: Marte si trova a milioni di Km dalla Terra, anche quando è più vicino a noi. Con queste distanze gli astronauti devono essere in grado di cavarsela da soli, in ogni senso. Essi devono essere addestrati per fare autoanalisi medica con scanner medicali. Già oggi gli astronauti diretti verso l’ISS devono frequentare e passare esami di medicina per essere pronti alle prime emergenze; in una spedizione di tre membri, due di essi devono essere CMO (Chief Medical Office) in grado di compiere le prime operazioni mediche quali suturare una ferita, estrarre un dente e sistemare una slogatura. Samantha Cristoforetti, per esempio, era uno dei due CMO di missione. Ovviamente nel caso di un viaggio verso Marte, queste competenze non sono sufficienti perché in caso di complicanze o situazioni più gravi ancora oggi non è possibile un intervento chirurgico in microgravità: rimane un problema aperto da affrontare. Un secondo problema a cui vanno incontro gli astronauti dovuta alla distanza riguarda il loro comportamento ed interazioni sociali. Le attuali missioni spaziali, compreso il progetto Apollo, hanno tutte una caratteristica in comune: la Terra è sempre (o sempre stata) ben visibile dall’equipaggio per tutta la missione. Questo ha costituito un punto di riferimento per gli astronauti, facendoli sentire psicologicamente “meno lontani”, avendo la Terra a portata di ore (o pochi giorni) di viaggio. Su Marte la Terra non è più in vista (a meno di confonderla come un puntino appena luminoso nei bluastri tramonti marziani); questo può portare a depressione e senso di smarrimento. E’ un effetto che gli psicologi chiamano “Terra fuori vista”.

La Terra vista da Marte

La Terra vista da Marte dopo il tramonto in un’immagine scattata da Curiosity. Fonte: NASA/JPL

Ambiente chiuso/ostile: in ambiente terrestre sappiamo già cosa può conseguire vivere in un ambiente chiuso: maggior probabilità di trasferimento di malattie e allergie. Possiamo immaginarci cosa succederebbe se una qualunque malattia si diffonde all’interno dell’equipaggio al contatto con gli altri o all’interno di un ambiente alieno come la superficie marziana (sappiamo che a ora, Marte è biologicamente morto, ma non sappiamo come si comporterebbero virus terrestri cresciuti in ambiente marziano). Per analizzare meglio i comportamenti umani e simulare le condizioni di un viaggio/permanenza su Marte, sulla Terra sono nati diversi progetti sotto l’egida di enti spaziali o associazioni no profit (anche di dubbio valore) in stile “Grande Fratello” per modellizzare e analizzare tutti questi aspetti umani. I primi esperimenti sono nati agli inizi degli anni ’90, ad esempio Biosfera 2, son falliti miseramente ma hanno avuto il merito di aver portato alla luce nuovi problemi inizialmente ignorati come la pressurizzazione, perdita di O2 dalla struttura di contenimento, crescita delle piante, …

Fra gli esperimenti portati aventi da agenzie spaziali per esempio, si possono elencare il progetto Mars500 (2007 – 2009) presso Roscomos volta proprio a simulare le dinamiche di un ambiente chiuso e Mars160, una missione di 120 giorni nel deserto dello Utah, dove 7 persone con tute e quant’altro, dovevano affrontare un programma di esplorazione geologica con le stesse condizioni che un equipaggio umano dovrà affrontare su Marte.

Dal 2010 sulla ISS è presente un’apparecchiatura in grado di riciclare H2O.

Dal 2010 sulla ISS è presente un’apparecchiatura in grado di riciclare H2O. Fonte: salon.com

In ogni caso, per affrontare il passo successivo, sarà obbligatorio adottare metodologie di sviluppo sostenibili, quali il riciclaggio e filtraggio dei fluidi (H2O, urina, …), migliorare i sistemi d’isolamento, introdurre tecniche di modularità e ridondanza degli strumenti e ottimizzazione dei materiali (logistica). Si tratta quindi di un continuo impegno di tutti per affrontare nuove sfide.

(continua qui)

Riferimenti e bibliografia

Meccanica celeste marziana

Ed ecco, qual, sorpreso dal mattino,

per li grossi vapor Marte rosseggia

giù nel ponente sovra ’l suol marino,

Purgatorio II 13 – 15

Si fa un gran parlare (soprattutto in questi ultimi mesi) di quando l’uomo poserà il primo piede sul suolo marziano: dati, ipotesi, scenari, previsioni più o meno vere che si confondono in una miriade di commenti contrastanti. Quanto c’è di vero in quello che servizi in televisione, articoli di giornale dicono? Quanto di tutto ciò è frutto di fantasia e quanto è verosimile? Cerchiamo di riassumere lo stato dell’arte degli attuali sviluppi tecnologici (fine 2016) e piani futuri sulle problematiche ancora irrisolte che una sfida di tale portata porta con sé.

In generale andare nello spazio non è una cosa di poco conto: anche se siamo abituati a vedere l’ennesimo viaggio della Sojuz alla volta dell’ISS (Stazione Spaziale) come se fosse orami una cosa banale, lo spazio rimane un ambiente molto ostile e altrettanto rischioso. Dagli anni ’60 ad oggi Marte è stato oggetto di numerose sonde, rover, lander, orbiter da parte di americani, europei, russi ed indiani: molte son fallite, altre hanno avuto successo. Basandosi sulle statistiche di queste missioni, possiamo dire che a oggi la probabilità di successo di una missione di sola andata su Marte è circa del 47% (poco meno della metà). Questo dimostra ancora una volta come “portare un equipaggio umano su Marte e ritornare sulla Terra in sicurezza” non sia per niente una passeggiata.

Mosaico di immagini di Marte: progetto Viking - Fonte: nasa.gov

Mosaico di immagini di Marte: progetto Viking – Fonte: nasa.gov

Partiamo anzitutto fornendo brevemente alcuni dati sul Pianeta Rosso (fast fact):

  • Marte è arido secco ed ha una temperatura media annuale di -63°C, fa molto freddo.
  • Marte è grande circa la metà della Terra, ma possiede la stessa superficie delle terre emerse del nostro pianeta.
  • Marte possiede una gravità che è circa 1/3 di quella terrestre e impiega 2 anni a fare un giro intorno al Sole: 1 anno marziano equivalgono (più o meno) a due anni terrestri.

Marte ha un’atmosfera così composta:

 

Composizione atmosfera marziana

Composizione dell’atmosfera marziana

Questo vuol dire l’aria marziana non è per niente respirabile.

  • L’atmosfera marziana è circa 1/100 meno densa di quella terrestre e, per quanto ne sappiamo, alle conoscenze attuali non presenta segni di vita.

Rispetto alla Terra, Marte lungo la sua orbita si trova alle seguenti distanze minime e massime.

Distanza minima: 54,6 * 106 Km

Distanza massima: 401 * 106 Km

Distanza media: 225 * 106 Km

Tanto per avere un’idea delle distanze in gioco, supponiamo che la distanza del braccio dalla punta delle dita fino alla cuffia della spalla sia la distanza Terra – Luna (massima distanza raggiunta da una sonda con equipaggio umano). Questo significa che Marte si trova ad una distanza da me compresa fra 142 m e 1043 m, con una distanza media di 585 m.

  • L’inclinazione dell’orbita marziana rispetto al piano dell’orbita terrestre è di 1,85°; Marte e la Terra quindi non sono complanari.

Partendo da quest’ultimo punto, possiamo farci subito una prima domanda: con quale traiettorie/orbite ottimali possiamo raggiungere Marte? La meccanica celeste e vincoli di budget ci forniscono una risposta. Cerchiamo orbite di trasferimento che sono efficienti dal punto di vista energetico, ovvero che minimizzano il consumo di propellente. Il motivo è duplice: anzitutto il propellente in sé costa, ed in secondo luogo una maggiore quantità di propellente da trasportare aumenta notevolmente la massa complessiva del razzo da portare in orbita riducendo il carico utile per gli astronauti (payload), e ancora una volta, questo fa aumentare i costi.

Prima di proseguire, dobbiamo ora introdurre l’ipotesi semplificativa molto forte supponendo che le orbite di Marte e della Terra siano complanari (2D). Sotto questa ipotesi nel 1925 Walter Hohmann capì che il metodo più economico per spostare un corpo dall’orbita interna ad una più esterna è quello di metterlo in un’orbita ellittica tangente ai punti di partenza e di arrivo. Utilizzando la terza legge di Keplero, possiamo calcolare la durata teorica di un viaggio Terra – Marte utilizzando la semi ellisse di Hohmann come traiettoria di una astronave diretta su Marte; il risultato finale dice che ci si impiega teoricamente 0.77 anni, ovvero circa 9 mesi, per arrivarci. Supponendo di eseguire delle correzioni di rotta lungo il tragitto possiamo scendere fino a 7 mesi di viaggio.

Orbita di trasferimento di Hohmann

Orbita di trasferimento di Hohmann (semi ellisse verde). Fonte: http://ccar.colorado.edu/asen5050/projects/projects_2014/VonHendy_Michael/results.html

Nella realtà la cosa non è così semplice, perché bisogna considerare anche l’anomalia di Marte sull’eclittica, quindi bisogna trovare delle orbite di trasferimento ottimali nello spazio (in 3D), ma nel complesso, se confrontiamo questo tempo con quello impiegato dalle sonde passate, i tempi di un viaggio di andata su Marte hanno lo stesso ordine di grandezza di quello riportato sopra (cambia l’orbita, ma di poco i tempi).

Calcoli semplificati per un trasferimento di Hohmann

Calcoli semplificati dell’autore per un trasferimento di Hohmann

Le stesse considerazioni valgono anche per un viaggio di ritorno da Marte in direzione Terra, per cui un ipotetico team di astronauti impiegherebbe circa 15 mesi della missione per il solo viaggio di a/r.

Una volta giunti su Marte quanto tempo bisogna attendere prima di ritornare indietro? Ha senso cioè fare una missione di andata e ritorno come sulla Luna (missione pianta – bandiera) oppure sfruttare al massimo la missione e rimanere più a lungo sul Pianeta Rosso? Ceteris paribus, anche per questa domanda la meccanica celeste ci viene in aiuto con una risposta. Affinché si possano sfruttare le orbite di trasferimento di Hohmann, è necessario che entrambi i pianeti di partenza e destinazione siano allineati nella giusta posizione reciproca in modo tale che l’equipaggio si trovi nel punto di destinazione con la stessa velocità e direzione del corpo sul quale si intende arrivare. Per fare un esempio banale (lo stesso che riporta anche la NASA), se devo lanciare la palla di football a un mio compagno di squadra in movimento, non posso lanciarlo quando mi pare, ma il mio cervello deve calcolare approssimativamente la velocità e direzione del lancio in modo che la palla arrivi nel punto di destinazione desiderato fra le braccia del mio compagno che nel frattempo si è mosso dal punto.

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Lo stesso avviene con la meccanica celeste: bisogna aspettare un periodo di tempo pari a 458 giorni prima che si raggiunga una configurazione Terra – Marte ideale per il trasferimento orbitale di ritorno. Ciò vuol dire che gli astronauti dovranno restare più di un anno (terrestre) su Marte isolati (con quello che ne consegue) prima di aver occasione di far rientro a casa. Se prendiamo in considerazione anche i viaggi di andata e ritorno ci troviamo di fronte ad un progetto di missione che richiede circa 1000 giorni di permanenza nello spazio con un equipaggio di 4/5 persone a decine di milioni di chilometri di distanza senza l’aiuto esterno!!! Ecco perché andare su Marte non è una passeggiata; ma occorre pianificare con estrema cura tutti i passi del progetto ed affrontare ogni criticità di missione.

Non solo siamo vincolati nelle decisioni relative al viaggio di andata/ritorno, ma non possiamo decidere neanche quando partire: così come per il ritorno, anche per l’andata dobbiamo aspettare la posizione favorevole dei due pianeti. La posizione ideale si verifica quando Marte (pianeta esterno) è nelle vicinanze dell’opposizione alla Terra (pianeta interno), ovvero in prossimità della minima distanza fra i due. Ad ogni opposizione si apre una finestra di lancio utile per mandare una sonda/astronave su Marte utilizzando un’orbita di trasferimento ottimale: ovviamente possiamo calcolare in anticipo le date di questo fenomeno, così da poter pianificare i viaggi. Nel caso di Terra – Marte, le opposizioni si verificano ogni 26 mesi: ciò significa che ogni 26 mesi, quando Marte si avvicina alla minima distanza dalla Terra, e’ possibile sfruttare una finestra di lancio con destinazione il Pianeta Rosso.

Anche se Marte raggiunge periodicamente la minima distanza dalla Terra, questo non vuol dire affatto che questo valore sia costante, perché varia a seconda della posizione reciproca delle orbite. La serie di distanze minime varia da un minimo ad un massimo. Nel 2003 per esempio avevamo raggiunto un minimo (fra i minimi) di soli 0.372 u.a. (Unita’ astronomiche) , cosa che si ripeterà solo nel 2729.

Prossime opposizioni Terra - Marte

Prossime opposizioni Terra – Marte con i minimi di distanza in termini di Unita’ Astronomiche

Esistono alternative? Si, esistono: per esempio possiamo decidere di non sfruttare orbite di trasferimento ottimali per il ritorno, e decidere di ripartire subito da Marte nel giro di pochi giorni dopo l’arrivo. Anche in questo caso la meccanica celeste ci dà una risposta: gli astronauti devono inserirsi in un’orbita di rientro molto stretta che prevede un fly-by (passaggio ravvicinato) presso Venere in modo da sottrarre ad esso l’energia potenziale necessaria per inserirsi nell’orbita di rientro per la Terra. Si tratta pero’ di una soluzione impossibile sotto vari aspetti; fra tutti questi basti considerare l’enorme quantità di radiazioni che un equipaggio è costretto a subire passando ad una distanza così vicina al Sole, pertanto sembra proprio che se si va su Marte, si andrà per restare.

(continua qui)

Riferimenti

Andiamo su Marte ?

Si fa un gran parlare di Marte (soprattutto in questi ultimi mesi) e di quando l’uomo poserà il primo piede sul suolo marziano: dati, ipotesi, scenari, previsioni più o meno vere che si confondono in una miriade di commenti contrastanti. Quanto c’è di vero in quello che servizi in televisione, articoli di giornale dicono? Quanto di tutto ciò è frutto di fantasia e quanto è verosimile? Collocata all’interno del corso di astronomia di base del GAV, la conferenza si propone di illustrare lo stato tecnologico attuale e futuro in ottica di una possibile realizzazione di un progetto di questa portata.

Perché Marte è non è solo tecnologia, ma vuol dire anche astronomia, fisiologia, medicina, ecologia, agricoltura e molto altro.

Si va su Marte per studiare meglio il passato e futuro del nostro pianeta

La conferenza avrà luogo venerdì 31 Marzo presso Villa Camperio – Via Confalonieri 55, Villasanta (MB). Inizio come sempre alle ore 21:00

Ingresso gratuito

Alessandro Fumagalli

I signori degli Anelli

Se chiediamo ad una persona quale pianeta ci riferiamo quando parliamo del “Signore con gli anelli”, molto probabilmente otterremo una sola risposta: Saturno, ma grazie alle scoperte dalle sonde Voyager oggi sappiamo che non è l’unico pianeta a condividere questa caratteristica; tutti i giganti gassosi del nostro Sistema Solare possiedono un sistema di anelli che li avvolge.

La presenza degli anelli era stata osservata da Galileo (1610) e da Huygens (1675); Maxwell studiò il problema dal punto di vista della meccanica celeste e dimostrò che gli anelli di Saturno non potevano essere costituiti da un unico corpo rigido, altrimenti sarebbe venuta a mancare la stabilità strutturale. Essi sono costituiti infatti da una miriade di particelle di ghiaccio, roccia e polveri dal diametro di pochi millimetri al metro che orbitano intorno al pianeta in maniera indipendente uno dall’altro; la loro orientazione varia durante l’anno e la loro struttura è molto sottile: lo spessore medio degli anelli è di 300 metri nonostante si estendano fino a una distanza di circa 483000 Km.

Se guardiamo gli anelli all’oculare di un telescopio, ci accorgiamo che esistono separazioni all’interno della struttura: ogni sezione ha un nome, una caratteristica ed una densità variabile.

Struttura degli anelli di Saturno

Struttura degli anelli di Saturno

Nel sistema ad anelli di Saturno si distinguono ben sette sezioni (fasce) chiamate con le lettere maiuscole: procedendo dall’interno verso l’esterno le sezioni sono le seguenti:

  • Anello D (molto debole)
  • Anello C interno
  • Divisione di Maxwell
  • Anello C esterno
  • Anello B (il più denso)
  • Divisione di Cassini
  • Anello A interno
  • Divisione di Enke
  • Pastori: Pan
  • Divisione di Keeler
  • Anello A esterno
  • Pastori: Prometeo
  • Anello F
  • Pastori: Atlas, Pandora, Epimetheus e Janus
  • Anello G
  • Anello E

Una caratteristica che accumuna gli anelli di tutti i giganti gassosi è che essi non si estendono oltre il limite di Roche: esso rappresenta un limite entro il quale le forze mareali del pianeta sono superiori alle forze di coesione del satellite stesso. All’interno del limite di Roche pertanto possono esistere solo piccoli satelliti (lune e pastori) in grado di resistere a stress gravitazionali le quali sono corresponsabili del confinamento e della stabilità dell’intero sistema.

Nell’interazione fra pastore e anello entrano in gioco forze gravitazionali, in particolare la risonanza orbitale: che è anche corresponsabile della creazione di lacune, come la divisione fra la fascia A e B (divisione di Cassini). La risonanza è presenta nell’intera struttura degli anelli; le particelle esterne dell’anello B, per esempio, sono in risonanza 2:1 con Mimas, le particelle della divisione di Enke sono in risonanza 5:3 sempre con Mimas, mentre il confine esterno della divisione di Keeler è in risonanza 7:6 con Janus. In generale, maggiore è il rapporto m:n, più intenso sono gli effetti dell’interazione fra anello e satellite.

Un terzo effetto dei pastori è di modellare i bordi degli anelli; quando le particelle interne/esterne dell’anello superano (o si fanno superare) dal satellite pastore, quest’ultimo modifica le loro orbite deviandole dalla traiettoria originaria; l’effetto risultante è quello di frastagliare il bordo dell’anello. Le forze che agiscono portano alla creazione di moti localmente sinusoidali periodiche con un periodo proporzionale alla distanza fra il satellite e le particelle che costituiscono l’anello.

Struttura degli anelli di Giove

Struttura degli anelli di Giove

Le correlazioni fra anelli e pastori sono presenti anche nel sistema di anelli degli altri giganti gassosi: Giove possiede un sistema di anelli molto debole costituito da polveri la cui origine è molto incerta; si suppone che sia il risultato d’impatti cometari il cui materiale espulso sia andato a costituire l’attuale configurazione.  A differenza di Saturno, però le particelle che compongono gli anelli di Giove, sono molto più distanziate rispetto a quelle che caratterizzano Saturno e quindi collidono più raramente.

Il sistema è composto di un anello principale di materiale roccioso il cui moto è influenzato dal campo magnetico gioviano. Nella parte più esterna dell’alone si distinguono due anelli:

  • Anello interno di Gossamer: si trova a una fascia compresa fra 129000 Km e 182000 Km.
  • Anello esterno di Gossamer: si trova a una fascia compresa fra 182000 Km e 225000 Km.

Come per Saturno, al loro interno si trovano piccole lune: Adrastea e Metis nell’anello interno di Gossamer, vicino all’alone principale, mentre nella regione esterna di Gossamer si trovano Amalthea ed Thebe. Si pensa che la fonte delle particelle che costituiscono il sistema di anelli di Giove arrivi proprio dai satelliti stessi, in particolare dalle lune Adrastea e Metis che hanno un diametro di 10 – 20 Km.

Struttura degli anelli di Urano

Struttura degli anelli di Urano

Anche per Urano e Nettuno, la presenza di piccole lune contribuisce alla spiegazione di fenomeni di confinamento e forma degli anelli.

Urano è circondato da una serie di anelli molto deboli e stretti con un’elevata eccentricità definiti da lettere greche e (per i più recenti) da numeri. La certezza della loro presenza avvenne grazie al lavoro della Voyager 2, sebbene grazie a osservazioni terrestri, basate su occultazioni stellari, avessero fatto ipotizzare che Urano possedesse un debole sistema ad anelli. La conferma avvenne nel marzo 1977: gli astronomi attrezzarono un aereo (il Kuiper) per misurare il diametro del pianeta, la stella di test prima di essere occultata e poi scoperta da Urano lampeggiò più volte; questo comportamento indusse gli astronomi a pensare alla presenza di anelli.

Oltre ai cinque scoperti dall’osservatorio volante, la Voyager ne scoprì altri e portò il conto totale degli anelli undici; essa confermò anche la presenza a cavallo dell’anello ε due piccoli pastori: Cordelia e Ofelia il cui loro moto agisce come un processo di confinamento dell’anello. La risonanza è presente anche qui, in particolare i satelliti Ariel e Umbriel si trovano in risonanza 5:3

Struttura degli archi di Nettuno

Struttura degli archi di Nettuno

Nettuno possiede tre anelli, di cui due molto stretti, che portano i nomi dei tre astronomi che contribuirono alla sua scoperta: Galle, Le Verrier e Adams. Come per Urano, anche per Nettuno fu ipotizzata la loro presenza grazie a un processo di occultazione stellare da parte del pianeta, ma a differenza del precedente, l’occultazione rilevò un’asimmetria nella curva di luce. La spiegazione ci venne fornita dalla Voyager 2, la quale evidenziò un sistema di tre archi (Libertè, Egalitè e Fraternitè) sistemati sull’anello più esterno, quello a maggior concentrazione di materiale. La sonda rilevò un sistema di lune intrappolate all’interno degli anelli, in particolare Galatea (situata fra anello centrale ed il più esterno) che si trova in risonanza di moto medio 42:43 con l’anello Adams ed è responsabile della dinamica dei tre archi dell’anello più esterno.

Anche Nettuno possiede pastori, tra i quali citiamo: Naiad, Thalassa, Despina e Larissa.

Visto la somiglianza di tutte queste strutture, cosa possiamo dire dell’origine degli anelli che caratterizza questi giganti del Sistema Solare? Gli astronomi hanno formulato due ipotesi: la prima si rifà ai primi momenti di formazione del Sistema Solare, secondo la quale durante la formazione del pianeta la nube di polveri/gas si sarebbe appiattita dando origine ai satelliti, ma all’interno del limite di Roche, le forze di marea ebbero il sopravvento e si formarono gli anelli.

La seconda ipotesi implica una formazione molto più recente e si basa sulla cattura dal campo gravitazionale del pianeta di corpi celesti esterni e in seguito spezzati in mille frammenti quando hanno oltrepassato il limite di Roche. Tutti gli anelli hanno una struttura dinamica; continuamente materiale viene perso con gli urti fra particelle dell’anello ed al tempo stesso i satelliti pastori provvedono al recupero e riciclaggio del materiale.

Lo studio di queste magnifiche strutture è risultato molto importante perché oggi gli astronomi pensano che il modello che sta alla base del loro funzionamento possa essere studiato come analogia per spiegare la formazione del Sistema Solare quando la nube di gas/polveri che circondava il Sole ha iniziato a collassare per dar luogo ai suoi pianeti.

Fotografie

  • NASA/JPL
  • Voyager 2

Presentazione

Meccanica celeste

Cos’è la meccanica celeste e di cosa si occupa questa disciplina dell’astronomia?

Dalla legge di gravitazione universale di Newton, all’irrisolvibile problema degli N corpi fino alle soluzioni trovate da Lagrange per particolari configurazioni geometriche. La conferenza si pone come obiettivo quello di fornire le basi per capire la meccanica celeste prendendo come esempio il nostro Sistema Solare. A bordo di una sonda interplanetaria visiteremo i pianeti del Sistema Solare soffermandoci sulle particolarità che li caratterizzano in termini di orbite, risonanze, obliquità, …

Verrà affrontato il problema della stabilità del Sistema Solare nel suo complesso alla luce dei risultati delle simulazioni di Laskar, unitamente ad una breve digressione storica della materia.

La conferenza avrà luogo venerdì 5 Aprile presso la sede del GAV.

Alessandro Fumagalli

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