Le geometrie invisibili del Sistema Solare

Nel sistema Terra – Luna esistono cinque punti chiamati L1, L2, L3, L4, L5, ma più noti col nome di punti di librazione o di Lagrange. Il nome indica la caratteristica che li rende interessanti: in quei cinque punti, infatti, le forze gravitazionali e rotatorie esistenti tra la Terra (corpo principale), la Luna (corpo secondario) e un terzo corpo si bilanciano, in modo che quest’ultimo possa “librarsi” immobile nello spazio rispetto ai primi due. Il terzo corpo deve avere massa trascurabile su scala planetaria, quindi può benissimo essere un’astronave, una stazione spaziale o anche un asteroide. Si tratta di una versione semplificata del “prolema dei tre corpi”, che si ripropone ovunque, per esempio tra il Sole e ciascuno dei suoi pianeti, e tra un pianeta e ciascuno dei suoi satelliti. E’ più facile mantenere in librazione un oggetto facendogli seguire un’orbita ad aureola intorno al punto L (halo orbit), che ha una ulteriore funzione stabilizzatrice, e riduce ancora il già basso dispendio di carburante necessario a mantenere la posizione. Questo è il motivo principale per cui tali punti sono considerati locazioni privilegiate nello spazio. Ma non il solo. Nell’articolo precedente “Il Grande Risiko Lunare è incominciato” abbiamo analizzato L2 e il suo valore strategico, ora ci occuperemo degli altri punti di librazione.

Prossima destinazione: L1

L1 si trova a circa 60.000 km sopra al centro della faccia visibile della Luna, una posizione ideale per ospitare una infrastruttura abitabile dove svolgere una quantità di utili operazioni, tra cui l’assemblaggio delle future missioni verso i NEO e Marte, e il coordinamento delle attività sulla superfice della Luna. Da L1, infatti, è possibile interagire in telepresenza (cioè in tempo reale) con dei robot operanti sulla superfice della Luna, mentre ciò non è fattibile dalla Terra a causa del ritardo-luce di circa 3 secondi, dovuto alla maggiore distanza che intercorre tra i due corpi celesti, mentre è ormai un fatto assodato che lavorare in telepresenza in ambienti estremi è più efficiente e meno costoso che eseguire un intervento umano diretto. Ma considerato il fatto che passare da LEO a GEO costa più di un viaggio L1 – GEO – L1 in termini di consumo di carburante, si apre la possibilità di eseguire svariate operazioni in orbita geostazionaria venendo proprio da L1: in GEO infatti orbitano in gran numero satelliti molto sofisticati per le telecomunicazioni, la meteorologia, lo spionaggio, che rappresentano investimenti per milardi di euro. Manutenzione, riparazione dei guasti, riciclo dei componenti ed eliminazione dei rottami sono operazioni che potrebbero essere eseguite periodicamente da veicoli pilotati, o da robot, magari guidati in telepresenza da un operatore a terra.

Dalla fine degli anni ’90 la progettazione di una infrastruttura da posizionare in orbita halo intorno a L1 è all’attenzione di coloro che si occupano di pianificare il volo umano nello spazio, e di mettere a frutto l’eredità della ISS. Il primo progetto, elaborato dalla NASA e chiamato  TransHab, viene presentato nel 2001, è  bocciato dal governo americano e subito acquistato dalla Bigelow Aerospace, una società che si occupa di turismo spaziale, ma serve se non altro a fare scelte definitive in merito a tecnologie e materiali, e ad alcune specifiche tecniche. In pratica si vuole una stazione di transito, in grado di rimanere operativa per almeno 15 anni, e di ospitare gruppi di 3-4 astronauti per periodi di qualche settimana, ma capace di condurre automaticamente una vasta serie di compiti. Infine, per contenere il peso, la parte abitabile della struttura verrebbe costruita utilzzando una resistentissima fibra gonfiabile. Nel 2004 l’amministrazione Bush presenta la sua “Visione per l’Esplorazione dello Spazio”, da cui prende vita il programma Constellation, che rimette, dopo 40 anni, la Luna al centro della strategia spaziale americana. Nel 2006 il neonato FISO (Future In-Space Operations) trasforma il TransHab alla luce della nuova architettura Constellation, chiamandolo “Gateway 2006”, ma la NASA lo boccia temendo di distrarre fondi dal progetto di esplorazione del polo sud lunare e del Bacino di Aitken. Ma nel 2009 il “Comitato per il riesame dei piani per il volo umano nello Spazio” presieduto da Norman Augustine elabora una nuova strategia chiamata “Percorso Flessibile” che tenta di armonizzare varie proposte in un unico progetto propedeutico alla missione verso Marte e promuove finalmente la costruzione di “Gateway 2010”, una nuova versione ridotta dell’originario TransHab, sempre su proposta FISO. Le principali specifiche tecniche sono riassunte nella tabella che appare all’inizio del paragrafo, dove i dati di TransHab figurano in seconda colonna, in terza quelli di Gateway 2006 e in quarta quelli di Gateway 2010, a cui si riferisce anche l’immagine qui sotto.

L1, L3: potenziare la Difesa Planetaria contro gli asteroidi pericolosi

La rete di rilevamento e controllo dei NEO, nota col nome di Spaceguard e parte del nascente sistema Difesa Planetaria, ha avuto un preoccupante “lato cieco” nel suo campo di osservazione fino al 2010. Ciò dipende dalle caratteristiche delle traiettorie seguite dai NEO per avvicinarsi al nostro pianeta. Infatti, se la traiettoria di un NEO in avvicinamento è esterna all’orbita della Terra, l’oggetto sarà visbile nel cielo notturno e il suo corso prevedibile con largo preavviso. Se, al contrario, la traiettoria di avvicinamento è interna, l’oggetto apparirà, per così dire, nel cielo diurno, cioè sarà del tutto invisibile ai telescopi ottici basati a terra, mentre rimarranno operativi solo i radar e i radar-telescopi, che però possono garantire solo brevi tempi di preavviso. Questa preoccupante situazione è stata affrontata nel 2010, quando a Spaceguard è stata assegnata una parte del tempo di lavoro di alcuni telescopi spaziali, per i quali, dato che operano fuori dall’atmosfera, il cielo è sempre nero senza distinzione tra cielo diurno e notturno. Ma si tratta d una soluzione di ripiego: tra gli addetti ai lavori si auspica il lancio di un vero e proprio “cacciatore di asteroidi”, uno strumento specializzato che potrebbe essere vantaggiosamente posto in orbita halo intorno a L1, da dove si può ottenere la scansione completa dello spazio interno all’orbita terrestre.

Se L1 ospiterà il quartier generale di Spaceguard, allora L3 potrebbe ospitare il braccio armato del sistema di Difesa Planetaria: batterie di missili intercettori capaci di deviare asteroidi di piccole dimensioni, ma non per questo innocui. Il progetto è stato presentato in ambito IAA dal dott. Claudio Maccone, ne abbiamo parlato in “Difesa Planetaria: come deviare un asteroide in rotta di collisione“.

L1, L2 e la Superautostrada Interplanetaria

L1 e L2 sono di diretto interesse per capire la cosidetta Superautostrada Interplanetaria, perché rappresentano accessi speciali per destinazioni lontane. Il moto di un’astronave nelle vicinanze di questi punti è influenzato da una delicata interazione tra la sua velocità e il campo gravitazionale locale. Un’astronave può entrare in orbita intorno a L1 o L2 (o a qualsiasi altro punto di librazione), sebbene questi siano meri punti nello spazio ai quali non corrisponde nessun corpo celeste.

Dalle orbite attorno ai punti di librazione hanno origine superfici a forma di tubo. Per esempio, un’astronave con la appropriata velocità iniziale può essere lanciata lungo un traiettoria che la porterà in orbita attorno al punto di librazione SEL2 del sistema Sole-Terra (la traiettoria è segnata in verde nella figura qui accanto). L’insieme di tutte le traiettorie simili a questa forma un unico tubo della Superautostrada Interplanetaria. La proprietà fisica importante dei tubi è che qualsiasi cosa si sposti da un’orbita intorno a un pianeta a un’orbita di allontanamento da esso, deve percorrere quel determinato tubo. Un’astronave che percorre una traiettoria dentro questo tubo passerà attraverso SEL2 dirigendosi verso l’esterno del sistema solare (in blu nella figura), mentre una che percorre un’orbita esterna quel tubo si dirigerà verso il Sole (in rosso nella figura). Da notare che i tubi esistono sempre in coppia: per ogni tubo composto da traiettorie di avvicinamento ne esiste uno composto da traiettorie di allontanamento.

Le astronavi possono viaggiare lungo i tubi ma possono anche cambiare rotta entrando in un altro tubo, grazie a una piccola manovra effettuabile con un comune motore a razzo. Ma c’è un modo per farlo senza alcun dispendio di carburante, usando i naturali punti di scambio della Superautostrada Interplanetaria. Una traiettoria che va da un tubo a un altro senza usare carburante viene definitta “eteroclinica”, a significare che può condurre da un’orbita a un’altra naturalmente. Nella pratica, per entrare in una traiettoria eteroclinica, l’astronave usa abitualmente un po’ di carburante per eseguire piccole correzioni di rotta rese indispensabili dalla nostra imperfetta conoscenza della sua posizione e velocità. Esistono anche traiettorie eterocliniche che connettono tubi di due differenti sistemi e le intersezioni funzionano nei due sensi. Le intersezioni eterocliniche possono sembrare difficili da individuare perché richiedono una perfetta scelta dei tempi: quando sei nel tubo di partenza, devi trovarti al posto giusto al momento giusto ( e alla giusta velocità ) per poter saltare dentro un tubo di avvicinamento. Ma esistono procedure di calcolo per trovare tali traiettorie perfettamente calibrate, e il risultato può essere spettacolare.

Il sistema gioviamo è un buon posto per mettere alla prova queste idee perché ci sono quattro lune di grandi dimensioni che orbitano attorno a Giove: Io , Europa, Ganimede, Callisto, proprio come un piccolo sistema solare. Le lune si muovono lungo le loro orbite a differente velocità portando con se i propri tubi, ed è possibile programmare una rotta che porti l’astronave a orbitare intorno a ciascuna delle quattro lune “saltando” di tubo in tubo, e consumando una quantità irrisoria di carburante. Questo nuovo approccio alla progettazione delle missioni spaziali ha comunque il suo lato debole: le rotte eterocliniche devono essere percorse a velocità molto basse e spesso sono tutt’altro che dirette. I tempi di percorrenza si allungano a dismisura e ciò limita molto il campo di applicazione di questo metodo.

L4, L5: fantastici habitat spaziali

I cilindri di O’Neill, gigantesche strutture capaci di ospitare intere biosfere e migliaia di uomini, avrebbero dovuto librarsi in orbita halo proprio intorno a questi due punti. Non cercherò di descriverli, ci sono riusciti bene Arthur C. Clarke in Incontro con Rama e Wikipedia, e questo breve video vale più di mille parole….

FONTI

• da  THE SPACE REVIEW:

K. Murphy: ML-1, the next logical destination

H.Thronson, D. Lester, T. Talay: Human operations beyond LEO by the end of the decade, an affordable near-term stepping stone

H.Thronson, T. Talay: “Gateway” architectures: a major “flexible path” step to the Moon and Mars after the International Space Station?

• Da WHY DO MATH?

Shane Ross: Space travel, mathematics uncovers an interplanetary superhighway

• il video “A 3D view of Rama object” è di Delfwaren
• the Future In-Space Operations (FISO) working group