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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

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