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Esplorazione di Marte, terzo passo

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