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Sabato, Luglio 22, 2017
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Cattura balistica: un altro modo per raggiungere Marte

Portare un'astronave su Marte è un'impresa piuttosto difficoltosa. I costi di trasporto possono arrivare a centinaia di milioni di dollari, anche sfruttando le finestre di lancio degli allineamenti ottimali di Marte con la Terra che si verificano ogni 26 mesi.

Un contributo notevole al conto finale è dato dall'arrivo sul Pianeta Rosso: per entrare in orbita, le sonde  spaziali che sfrecciano a diverse migliaia di chilometri all'ora devono effettuare una decisa frenata con i retrorazzi. Questa fase richiede centinaia di chilogrammi di propellente extra, trasportato dalla Terra a caro prezzo, e comporta un certo rischio di mancare l'entrata in orbita.

Finora questo approccio brutale per raggiungere l'orbita, chiamato trasferimento di Hohmann, ha soddisfatto in modo egregio le esigenze delle agenzie spaziali. Ma in un'epoca di riduzione dei budget, i costi e i rischi connessi al trasferimento di Hohmann sono diventanti un limite notevole.

Ora una coppia di ricercatori ha elaborato un metodo più semplice e meno rischioso per raggiungere l'orbita marziana, senza restrizioni dovute alle finestre di lancio o ai limiti di budget. Detta cattura balistica, questa tecnica potrebbe aprire una nuova era di missioni robotizzate, future spedizioni con equipaggio e anche tentativi di colonizzazione di Marte. “Potrebbe essere un'occasione importante per un consistente risparmio di risorse e competenze, che rimane sempre un nostro obiettivo”, spiega James Green, direttore della Planetary Science Division della NASA.

La premessa della cattura balistica è che invece di calcolare in quale punto dell'orbita si troverà Marte quando la sonda spaziale arriverà a destinazione, come avviene convenzionalmente con il trasferimento di Hohmann, la sonda viene lanciata nell'orbita marziana in modo che preceda il pianeta sulla sua traiettoria. I costi di costruzione della navicella e del lancio rimangono gli stessi, ma si evita l'enorme consumo di propellente richiesto dal rallentamento. Per la cattura balistica, la navicella viaggia a una velocità di poco inferiore a quella orbitale di Marte, e viene risucchiata gravitazionalmente dal pianeta in un'orbita planetaria.

Cattura balistica: un altro modo per raggiungere Marte

Schema della cattura balistica elaborata per i viaggi su Marte (Credit: arXiv:1410.8856 [astro-ph.EP])

“Questo è il bello della cattura balistica: è come volare in formazione”, ha spiegato Edward Belbruno, ricercatore associato della Princeton University e coautore, con Francesco Topputo del Politecnico di Milano, di un articolo che descrive i dettagli del nuovo cammino verso Marte. L'articolo, pubblicato su arXiv, è stato proposto alla rivista “Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy”.

“La danza balistica”
La cattura balistica, detta anche trasferimento a bassa energia, non è di per sé un'idea nuova. Quando era al Jet Propulsion Laboratory della NASA, circa 25 anni fa, Belbruno la elaborò per sonde che viaggiano verso la la Luna. Nel 1991 una navicella giapponese, la Hiten, fu la prima a sfruttare questo metodo, seguita nel 2011 dalla missione GRAIL della NASA. Belbruno studiò come combinare le interazioni gravitazionali della Terra, del Sole e della Luna per portare gradualmente una sonda spaziale nell'orbita lunare desiderata: è come se i tre corpi creassero delle depressioni nel tessuto dello spazio-tempo. Tracciando la traiettoria attraverso queste depressioni in modo che la quantità di moto diminuisca strada facendo, una navicella entra nella piccola depressione della Luna, finendo nella sua orbita senza necessità di propellente. "È una danza armoniosa”, sottolinea Belbruno.

Ma portare a termine una manovra simile per Marte, o per qualunque altro pianeta, appariva impossibile perché il Pianeta Rosso è molto più veloce della Luna. Sembrava che non ci fosse modo di indurre una sonda spaziale a rallentare abbastanza da scivolare nella depressione gravitazionale dello spazio-tempo, che oltre ad avere una profondità diversa, era essa stessa un bersaglio mobile troppo veloce. “Ci avevo rinunciato”, dice Belbruno.

Cattura balistica: un altro modo per raggiungere Marte

Rappresentazione artistica di una sonda in orbita intorno a Marte: il nuovo metodo di cattura balistica ridurrebbe notevolmente il propellente necessario (Cortesia NASA)

Tuttavia, in una recente consulenza per la Boeing, principale fornitore dello Space Launch System della NASA, che ha ancora in progetto di portare l'uomo su Marte, Belbruno, Topputo e colleghi hanno avuto un'idea: perché non arrivare vicino a Marte? Portare una navicella su un cammino orbitale, in un qualunque punto distante da un milione a qualche decina di milioni di chilometri dal Pianeta Rosso, renderebbe facile per Marte e la sua depressione spazio-temporale arrivare nelle vicinanze della navicella e, successivamente, dare il via alla cattura balistica. Nel nuovo studio finanziato dalla Boeing, gli autori hanno sviluppato i modelli per la cattura e tutti i calcoli necessari per metterla in atto.

Espandere i nostri orizzonti marziani
La cattura balistica non è l'unico modo per entrare in orbita risparmiando propellente. Un altro approccio, chiamato aerocattura, prevede che una navicella in arrivo penetri nell'atmosfera marziana e lasci che l'attrito diminuisca la velocità in eccesso. Questo metodo, tuttavia, richiede un pesante scudo termico, e perciò comporta ulteriori costi e peso da portare in orbita, vanificando il risparmio di propellente. Ma la cattura balistica, spiega Topputo, “è più lenta e più dolce”.

La cattura balistica in sostanza offre molti vantaggi rispetto ai metodi attuali per arrivare su Marte. Per esempio, oltre a evitare il consumo di propellente del trasferimento di Hohmann, riduce i rischi, perché la navicella non deve più decelerare in un breve spazio e in una ristretta finestra di tempo, rischiando di fermarsi prima od oltre il punto stabilito. L'approccio diminuisce del 25 per cento anche il consumo di propellente del viaggio complessivo, spiega Belbruno sulla base di una stima approssimativa.

Questa riduzione potrebbe essere utilizzata per risparmiare denaro ma potrebbe anche permettere payload più consistenti a prezzi paragonabili. Portare più massa in orbita marziana potrebbe significare avere a disposizione più rover e altre apparecchiature sulla superficie del pianeta. “Vorremmo utilizzare la cattura balistica per portare più massa sul suolo marziano”, aggiunge Green. “Questo è il nostro sogno”.

Anche non essere legati alle finestre di lancio sarebbe un grande progresso, per via dei possibili ritardi nella partenza, notoriamente  frequenti. Mancare una finestra di lancio può infatti significare ritardare l'atterraggio su Marte di due anni, e perdere quanto speso per i preparativi.

Per robot e per esseri umani?
La cattura balistica pha diversi inconvenienti. Un lancio diretto verso Marte, seguito da una brusca frenata, richiede sei mesi, mentre una cattura balistica richiederebbe diversi mesi in più. La quota a cui avviene la cattura è piuttosto elevata: 20.000 chilometri dalla superficie di Marte. Si tratta di una distanza molto maggiore di quella adatta alle osservazioni scientifiche da parte dei satelliti. Ma portandosi dietro una piccola quantità di propellente extra, si potrebbe abbassare leggermente una navicella catturata in modo balistico fino a portarla su un'orbita standard, accettabile per le misurazioni scientifiche, compresa tra 100 e 200 chilometri di quota, come quelle raggiunte con i trasferimenti di Hohmann, o anche sulla superficie marziana.

Per le missioni con equipaggio, il trasferimento balistico sarebbe un'arma a doppio taglio. Da una parte, la maggiore lunghezza del viaggio si aggiungerebbe alla lunga lista di sfide da superare per portare esseri umani su Marte. Sei mesi di viaggio per un equipaggio stipato in una piccola capsula sono già un problema, per non parlare dell'assorbimento di una dose di radiazione che raggiungerebbe livelli inaccettabili. Per questa ragione, le missioni robotiche sembrano essere i primi potenziali beneficiari dei trasferimenti a bassa energia di Belbruno e Topputo.

Cattura balistica: un altro modo per raggiungere Marte

Rappresentazione artistica di una colonia su Marte, con installazioni dedicate all'orticoltura (NASA Ames Center)

D'altra parte, evitando la necessità di una finestra di lancio, la cattura balistica potrebbe mantenere un flusso continuo di forniture di materiali al pianeta. Una colonizzazione di Marte estesa nel tempo probabilmente dipenderebbe dalla Terra per il proprio sostentamento, almeno fino al consolidamento di coltivazioni e manifatture autosufficienti. “La cattura balistica sarebbe un buon metodo per inviare materiali in anticipo per una missione con equipaggio o una parte di essa”, ha spiegato Belbruno.

Green è d'accordo. “Questa tecnica di cattura balistica non si applicherebbe solo alle missioni robotiche, ma anche alle esplorazioni umane”, spiega. Per questo motivo, in ottobre ha organizzato per Belbruno un incontro con lo staff del Johnson Space Center su come le missioni umane potrebbero sfruttare questa tecnologia.

Inoltre, la cattura balistica sarebbe perfetta per collocare satelliti in orbite “arestazionarie”, l'equivalente marziano delle orbite geostazionarie (Marte=Ares). Che ne dite di network marziani per Internet e cellulari? E se il nuovo trasferimento a bassa energia funzionasse per Marte, potrebbe, in teoria, essere sviluppato per portare materiale in qualunque pianeta del sistema solare.

Questo potenziale progresso, tuttavia è ancora in una fase teorica preliminare. Il lavoro da affrontare include la rielaborazione dei calcoli di fisica per tener conto di influenze minori di cui risentirebbe una navicella in orbita marziana, come l'attrazione gravitazionale di Giove. Secondo Green, la NASA potrebbe voler sperimentare il trasferimento con la cattura balistica a partire da 2020.

Belbruno tiene le dita incrociate. “Si pensava che la strada per la Luna trovata nel 1991 fosse l'unica applicazione della mia teoria”, spiega. “Sono molto soddisfatto di questi studi su Marte”.


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