Il Tredicesimo Cavaliere

Scienze dello Spazio e altre storie

Tra l’incudine e il martello

In Elettricità e calore dai radioisotopi  abbiamo raccontato come la NASA ha vinto la battaglia per produrre a proprie spese il Plutonio 238 da impiegare nello spazio per ottenere elettricità e calore senza dipendere dal Sole. Ma è stata una vittoria  di Pirro, perché problemi di carattere manageriale e le solite ristrettezze di bilancio hanno obbligato l’Agenzia a fare scelte amare.

330px-MMRTG_schematic_-_english_labels(nell’illustrazione: un MMRTG). Il PU 238 è un isotopo che non esiste in natura e deve quindi essere prodotto artificialmente.  Il primo problema riguarda proprio la produzione: ne verrà generato al massimo 1 kg. circa all’anno e solo a partire dal 2021.  La riserva degli Stati Uniti assomma oggi a una trentina di chili, parzialmente “decaduti” radioattivamente, ed è quindi probabile che le prime quantità prodotte vengano utilizzate per rivitalizzare le scorte.  Nello spazio, il calore generato dal PU 238 viene trasformato in elettricità da un generatore termico a radioisotopi (RTG) o da un suo successore chiamato MMRTG di cui esistono 7 unità pronte per essere utilizzate a bordo delle prossime sonde.

Con queste limitate capacità, la NASA si appresta ad affrontare gli impegni del presente decennio e del prossimo, mentre ordina alla  Lockheed Martin Space System, da tempo incaricata dell’ASRG, il nuovo modello di generatore, di rispedire ogni cosa relativa a tale progetto ai  laboratori  del Glenn Research Center di Cleveland, uno dei più grandi centri di studio dell’Agenzia, che sottoporrà la tecnologia Stirling, il cuore del ASRG, a ulteriori studi e approfondimenti. Da un punto di vista meramente finanziario la NASA ha speso fino ad oggi 272 (198)* milioni di dollari per sviluppare la tecnologia ASRG, e altri 100 (72) sarebbero stati spesi in due anni per ottenere il primo generatore pronto per l’utilizzo in missione. Invece, sospendendo ora il programma, la NASA realizzerebbe subito un risparmio di 170 (124) milioni, ritardando però di una decina  d’anni l’entrata in servizio del nuovissimo ASRG, guarda caso proprio il tempo necessario per smaltire le attuali scorte.

Sembra incredibile che la più grande agenzia spaziale del mondo, mentre vanta per il 2014 fondi assegnati per oltre 17,6 miliardi di dollari, ritenga desiderabile realizzare un risparmio di 170 milioni e la razionalizzazione delle scorte a scapito di una tecnologia innovativa che aprirebbe la strada a ben altri risparmi e sopratutto promuoverebbe l’esplorazione delle regioni esterne del Sistema Solare grazie all’affermarsi di nuovi tipi di missione e del relativo hardware. Ciò che vogliamo dire appare chiarissimo dopo l’esame della seguente tabella comparativa:

 

tabella MMRTG-ASRGAnche facendo lavorare sempre gli ASRG in coppia per creare una  ridondanza contro eventuali guasti  di parti mobili, i vantaggi che si otterrebbero sostituendo semplicemente gli MMRTG con gli ASRG, a parità di energia prodotta, sono evidenti. Ma altri fattori sono intervenuti e  i manager della NASA hanno realizzato di avere la possibilità di far fronte alle richieste per i prossimi anni assegnando alle uniche due missioni di classe “Flagship” (1,5 – 2 miliardi di dollari) pronte al lancio entro il 2022,  le scorte di PU238 e gli MMRTG disponibili in magazzino.  Si tratta di Mars 2020 rover e di Europa Clipper. Quest’ultima specialmente gode della  considerazione del Congresso e del pubblico,  alla luce dei recenti avvistamenti di pennacchi eruttivi simili ai nostri geyser che scagliano attorno al satellite nuvole di vapor d’acqua. Attraversandole con una sonda opportunamente attrezzata, si potrebbero ottenere nuove conoscenze in merito al supposto oceano d’acqua sotterraneo che sarebbe presente dentro la luna di Giove e della sua capacità di ospitare la vita.

Esiste inoltre un confine che potremmo definire tecnologico, al di là del quale l’alimentazione di una sonda spaziale non può essere affidata solo alle celle fotovoltaiche perché il Sole è così lontano che la sua luce ci giunge troppo fioca. Fino a ieri questa linea  di confine era grosso modo rappresentata dalla Fascia Principale degli Asteroidi, mentre oggi, in seguito a veloci progressi tecnologici, tale confine si è spostato verso  l’esterno fino a comprendere l’orbita di Saturno. Naturalmente apposite commissioni di esperti sono già al  lavoro per verificare quali e quanti vantaggi potranno ottenere  dalla moderna tecnologia fotovoltaica le prossime sonde che opereranno nella nuova zona (vale a dire tra la Cintura degli Asteroidi e l’orbita di Saturno). Sembra che Europa Clipper passerà da una formula 100% nucleare (5 MMRTG), a una ibrida con meno generatori, o forse al 100% fotovoltaica.

Europa Clipper(nell’illustrazione: Europa Clipper). Ma il discorso va oltre perché c’è una quantità di nuove missioni che gli astrofisici americani hanno studiato considerando l’ASRG una risorsa disponibile  subito o nel breve termine.  Ci riferiamo a missioni molto specializzate, per la maggior parte a basso costo (classe Discovery: 425-500 milioni). Ne ha rilasciato un lungo elenco l’American Astronomical Society (AAS) alla fine del 2013, stilato ispirandosi alle linee guida espresse dalla NASA in un precedente documento chiamato Enduring Quests Daring Visions. Anche se si tratta di documenti ancora piuttosto vaghi e generici, sono importanti per capire i desideri e gli interessi professionali della massa degli astronomi e degli astrofisici americani, e sopratutto mettere alla prova la loro creatività in presenza di uno strumento molto avanzato come l’ASRG, che avrebbe garantito l’alimentazione e il riscaldamento della sonda in qualsiasi ambiente. Di certo l’improvvisa e del tutto inattesa ibernazione del progetto ASRG ha cambiato completamente le carte in tavola e una larga fetta delle missioni proposte dall’AAS è diventata semplicemente  inattuabile. Per esempio quelle che hanno come obiettivo  le zone polari della Luna, scarsamente illuminate, o l’emisfero oscuro di Mercurio. Sono luoghi non lontani dalla Terra ma di sicuro interesse scientifico e forse, nel caso della Luna, anche minerario. Ma sopratutto rimangono esclusi Urano e Nettuno con le loro interessantissime lune e la misteriosa Fascia di Kuiper, con Plutone e i suoi Plutini, nonché centinaia di altri pianeti nani, asteroidi, nuclei  cometari esauriti, e  chissà cos’altro.
Non è poco.

ROBERTO FLAIBANI

 

* la seconda cifra corrisponde al valore in euro della prima

FONTI:

Van Kane, The ASRG Cancellation in Context, The Planetary Society

Casey Dreier,  Continued Victories for Planetary Exploration, The Planetary Society

Casey Dreier, Europa Beckons, The Planetary Society

Casey Dreier, NASA just cancelled its Advanced Spacecraft Power Program, The Planetary Society

Jeff Foust, Omnibus  bill gives NASA $17,65 billions… , Space Politics

Jeff Foust, Astronomers’ bold visions clash with limited budgets, Space Politics

Dan Leone, Lockheed shrinking ASRG team as closeout work begins, Space News

NASA, Enduring Quest Daring Visions

 

 

 

 

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9 aprile 2014 Posted by | Astrofisica, Astronautica, Scienze dello Spazio | , , , | 3 commenti

“Europa Clipper” verso l’oceano nascosto della luna di Giove

Alla fine degli anni ’90, la sonda spaziale Galileo raggiunse Giove, effettuando una dozzina di sorvoli ravvicinati di Europa, la più piccola delle quattro grandi lune medicee. Il magnetometro di Galileo rilevò un campo magnetico indotto, che segnalava l’esistenza di un fluido conduttore appena sotto la superficie del satellite. Insieme alle altre misurazioni relative alla composizione della superficie e della struttura interna di Europa, queste osservazioni deposero a favore, sia pur indirettamente, dell’esistenza di acqua liquida sotto la superfice di questa luna del Sistema Solare esterno. Di più, i ricercatori ritengono che all’interno di Europa potrebbe esserci una quantità di acqua liquida doppia di quella presente sulla Terra. Per gli scienziati e gli appassionati di questioni planetarie divennero subito ovvie in tutto il mondo le implicazioni rispetto all’abitabilità di Europa. Oggi, più di una dozzina d’anni dopo la missione Galileo, quelli tra noi che si entusiasmarono per queste prime scoperte, aspettano ancora l’occasione per poter visitare nuovamente Europa e il resto del sistema gioviano. Europa partecipa all’unica “risonanza di Laplace” del Sistema Solare attualmente nota, una risonanza 2:1 con le vicine lune Io e Ganimede: ogni volta che Europa completa un’orbita intorno a Giove, si allinea con Io, e ogni seconda orbita si allinea con Ganimede. Le interazioni gravitazionali tra queste lune risonanti mantengono le loro orbite leggermente ellittiche. Questo vuol dire che durante tutta l’orbita di Europa la distanza e la direzione relativa a Giove cambiano, provocando dei rigonfiamenti mareali capaci di modificare costantemente la forma complessiva di Europa. La struttura geologica riccamente diversificata di Europa e il suo probabile oceano di acqua liquida appena sotto la crosta sono entrambi il risultato di forti maree che riscaldano l’interno e flettono la superficie fino al punto di rottura.

Europa Clipper foto1(foto a sinistra: molte delle creste che intersecano la superficie di Europa sono in effetti creste “doppie”. La “linea di Androgeos”, che si può qui vedere evidenziata a colori, è una rilevante doppia cresta. Ecco come le maree provocate da Giove modellano la superficie di Europa). Un fenomeno simile si verifica anche su Io, la più vicina delle grandi lune di Giove, provocando un riscaldamento da frizione del suo interno roccioso e generando il vulcanismo più attivo dell’intero sistema solare. Le brillanti eruzioni sulfuree di Io possono essere osservate anche utilizzando telescopi collocati sulla Terra.

 Cosa sappiamo e cosa ignoriamo di Europa.

Basandosi ampiamente sui dati raccolti dalla sonda Galileo, gli scienziati sono stati in grado di dedurre molte informazioni a proposito dell’esterno e dell’interno di Europa. Analizzando la forma e la distribuzione delle fratture e delle creste formatesi probabilmente a causa dello stress mareale, abbiamo compreso che lo stato rotazionale di Europa è complesso. Le fratture e le creste di Europa suggeriscono una “rotazione asincrona” (un lento spostamento verso est della parte della crosta ghiacciata orientata in direzione di Giove), una piccola “obliquità” (inclinazione dell’asse di rotazione), che può risultare in un’ulteriore riscaldamento mareale, e persino un antico “slittamento polare” (movimento dell’intero guscio di ghiaccio rispetto all’asse di rotazione).

I terrazzamenti caotici di Europa – zone di ghiaccio superficiale interrotto – mostrano molte caratteristiche simile all’Antartide, il che fa pensare che si tratti di manifestazioni superficiali di laghi poco profondi al di sotto della superficie. Se questo è vero, è qui che Europa potrebbe ospitare la vita. Le regioni caotiche di Europa sono solitamente di colore rossiccio, con segnali infrarossi che fanno pensare a sali, forse derivanti dall’oceano sottostante.

Purtroppo i limiti dei dati raccolti da Galileo rendono impossibile determinare alcune delle più importanti caratteristiche di Europa. Le immagini complessive di cui siamo in possesso non hanno una risoluzione sufficiente per una completa mappatura geologica di Europa, e le informazioni topografiche sono sparse e grossolane. I dati sulla composizione sono ambigui, gli indizi a favore di un oceano indiretti e, nonostante le nostre aspettative, la presenza di molecole organiche non è stata confermata.

Oggi sappiamo che molti dei fenomeni che hanno luogo su Europa non sono unici. La missione Cassini ancora in corso nel sistema di Saturno ha rivelato che le interazioni mareali possono anche spiegare il comportamento del piccolo cugino di Europa, Encelado. Le eruzioni simili a geyser nella regione polare sud di Encelado possono essere correlate con le forze mareali che aprono e chiudono le lunghe fratture chiamate “strisce tigrate” (Tiger Stripes). Ciò che conosciamo di Europa ha influito positivamente sulla nostra capacità di interpretare le osservazioni di Encelado, e viceversa. La portata e il livello di dettaglio dei dati raccolti da Cassini mettono però in evidenza quanto siano scarse le informazioni che abbiamo su Europa.

 Aumentare le nostre conoscenze: le sfide

L’attrattiva scientifica di Europa è notevole, ma le missioni verso il Sistema Solare esterno sono costose. Scienziati e ingegneri hanno lavorato duramente per capire quale sia il modo migliore per riuscire ad esplorare Europa, soprattutto in quest’epoca di limitazioni dei finanziamenti. La NASA ha recentemente incaricato il Jet Propulsion Laboratory, in stretto contatto con il Laboratorio di Fisica Applicata della Johns Hopkins University, di valutare tutte le possibili opzioni per l’esplorazione di Europa. Durante l’ultimo decennio il principale candidato per una missione finalizzata su Europa è stato un orbiter ben equipaggiato. Simile al Mars Reconnaissance Orbiter del Pianeta Rosso o la missione Messenger di Mercurio, una sonda orbitante potrebbe rivolgere una gran quantità di strumenti di rilevazione a distanza verso la superficie sottostante, acquisire misurazioni sulla sua composizione, e individuare i luoghi migliori sui quali dirigere in futuro un lander.

Europa Clipper foto3(nella foto: ad ogni sorvolo l’Europa Clipper riprenderebbe con una stereo camera delle porzioni della superficie ghiacciata di Europa, ottenendo immagini tridimensionali ad una risoluzione superiore a 50 metri per pixel. Ognuna di queste fasce colorate rappresenta lo stereo imaging di un flyby illuminato dalla luce del sole). La difficoltà principale per un veicolo orbitante viene però dall’ambiente intensamente radioattivo di Europa, che può rendere inutilizzabili i normali strumenti elettronici, se privi di schermature. Il campo magnetico di Giove è il più potente del sistema solare, e riesce ad accelerare eventuali particelle cariche fino a velocità quasi relativistiche. Un veicolo che orbiti intorno a Europa sarebbe costantemente immerso in questa radiazione e dovrebbe essere quindi costruito utilizzando componenti altamente resistenti e portare notevoli quantità di schermature protettive. Come se ciò non bastasse, trasferirlo da un’orbita intorno a Giove a una intorno a Europa, grazie a quasi due anni di una sorta di “gioco al biliardo celeste”, farebbe sì che una grande quantità di radiazioni si accumuli ancor prima dell’arrivo a Europa. Gran parte delle preziose capacità di tolleranza alle radiazioni della missione verrebbe consumata nel trasferimento, accorciando la permanenza del veicolo intorno alla luna. Un approccio più economico è quello utilizzato dalla sonda Cassini su Saturno, che è riuscita a conseguire delle scoperte spettacolari su Encelado. Importanti risultati scientifici si possono ottenere orbitando intorno al pianeta madre ed effettuando numerosi sorvoli ravvicinati di una luna. Su Giove questo approccio offre anche il vantaggio che il veicolo spaziale può immergersi brevemente nelle regioni altamente radioattive vicine ad Europa, raccogliere velocemente una grande quantità di informazioni, e poi scappar via per ritrasmettere i preziosi dati alla Terra da una distanza di sicurezza. È questa la base per una nuova missione a basso costo concepita per esplorare quella luna di Giove: l’Europa Clipper.

 La missione Europa Clipper

La sonda farebbe almeno 32 orbite intorno a Giove, sorvolando ogni volta Europa a non più di 100 km di distanza. Ad ogni passaggio riprenderebbe con una stereo camera delle porzioni della superficie ghiacciata del satellite, catturando lo scenario tridimensionale con una risoluzione superiore a 50 metri per pixel. La sonda farebbe anche delle fotografie all’incredibile risoluzione di mezzo metro per pixel – sufficiente per vedere dei grossi massi (o persino i monoliti di Arthur C. Clarke, se ve ne fossero!) – in modo da poter programmare una futura missione di atterraggio. Allo stesso tempo analizzerebbe la superficie con uno spettrometro agli infrarossi in cerca di tracce di sali e composti organici che potrebbero provenire dall’oceano sottostante. Secondo gli standard terrestri, Europa non possiede un’atmosfera; tuttavia la radiazione fa rimbalzare continuamente delle molecole dalla superficie. Volando a distanza ravvicinata, una sonda potrebbe “annusare” con uno spettrometro di massa questa pseudo atmosfera per comprenderne la composizione. In questo modo l’Europa Clipper potrebbe raccogliere informazioni complementari sulla composizione sia della superficie che della tenue atmosfera. Un radar in grado di penetrare nel ghiaccio è considerato una componente fondamentale del carico utile. Il ghiaccio è essenzialmente trasparente alle onde radar che abbiano una lunghezza di diversi metri, ma l’acqua non lo è. Una sonda potrebbe colpire con il radar la superficie, e il segnale di ritorno darebbe informazioni sul viaggio da esso compiuto attraverso il ghiaccio prima di essere riflesso dall’acqua eventualmente presente al di sotto. In questo modo un radar potrebbe mappare il “sistema idraulico” interno alla crosta di ghiaccio di Europa, identificando laghi poco profondi nelle zone caotiche e spiando l’oceano sottostante.

Altri modi per sondare la presenza di un oceano nascosto sono le misurazioni gravitazionali e magnetiche. Mentre Europa esegue ogni 3,55 giorni terrestri la sua orbita ellittica intorno a Giove, la sua crosta di ghiaccio alternativamente si gonfia e si contrae a seconda di come il ghiaccio e il suo probabile oceano sottostante reagiscono all’attrazione gravitazionale di Giove. Un oceano profondo genererebbe maree di 30 metri, ma senza un oceano le maree sarebbero al massimo di 1 metro circa. Una flessione di origine mareale potrebbe essere rilevata misurando l’attrazione esercitata da Europa sulla sonda mentre questa la sorvola. Le ripetute misurazioni, effettuate in momenti diversi durante molti flyby nell’orbita di Europa, rivelerebbero le modificazioni della sua forma, confermando finalmente la presenza del supposto oceano, ammesso che questo esista davvero. Misurare la variazioni magnetiche durante tutta l’orbita di Europa permetterebbe inoltre di determinare in modo autonomo lo spessore e la salinità dell’oceano.

Europa Clipper foto4(l’immagine rappresenta come viene attualmente concepita dalla NASA la sonda Europa Clipper – fare doppio click per ingrandire le immagini) .Si valuta che l’Europa Clipper costerebbe 2 miliardi di dollari, meno della metà di un orbiter analogamente equipaggiato. Questo tipo di missione ha avuto una valutazione molto positiva dalla comunità scientifica, ma il progetto è in attesa di essere approvato dalla NASA prima di incominciare a lavorarci.. Dopo l’approvazione, ci vorrebbero altri sei anni per sviluppare compiutamente, costruire e lanciare l’Europa Clipper, e poi circa altri sei anni prima che arrivi nell’orbita di Giove. Questo vuol dire che se la NASA dà il via libera all’operazione nel 2015, data prima della quale è improbabile che il Congresso approvi il finanziamento della missione, il Clipper potrebbe essere lanciato intorno al 2021 e arrivare a Giove verso il 2027.

Esplorare il sistema solare esterno richiede molta pazienza e perseveranza. Richiede anche di pensare in avanti e programmare per la generazione futura. Scienziati e ingegneri stanno già valutando la possibilità di una missione di atterraggio, da far seguire alle scoperte di una missione come l’Europa Clipper. Un Europa lander potrebbe scendere morbidamente in una zona pianeggiante della superficie, forse sul ghiaccio rossiccio di una zona caotica in cui il radar dell’Europa Clipper abbia rilevato promettenti indizi della presenza di acqua sotto la superfice. Dopo aver raccolto le particelle ghiacciate rossicce, potrebbe andare direttamente alla ricerca di materiale organico, o persino della vita. Europa è uno dei corpi celesti geologicamente più dinamici e astrobiologicamente più promettenti del nostro sistema solare. Sembra che semplici processi di interazione gravitazionale abbiano prodotto un oceano di acqua liquida e fenomeni tettonici diffusi. Su Europa abbiamo identificato modi per mantenere un’attività geologica e creare un mondo potenzialmente abitabile completamente diverso da quelli del sistema solare interno. Localizzando i laghi esistenti sotto il ghiaccio, sondando la composizione del presunto oceano, e verificando l’attuale attività geologica di Europa, l’Europa Clipper fornirebbe una grande quantità di nuovi dati che permetterebbero agli scienziati di determinare la struttura dettagliata della crosta ghiacciata della luna e del suo interno. Inoltre, le importanti informazioni relative a processi geologici di derivazione mareale ci aiuterebbero a interpretare le osservazioni di Encelado e di altri corpi celesti dotati di oceani ghiacciati. Potremo così comprendere in quali modi la vita potrebbe esistere e svilupparsi in luoghi inaspettati, sia nel nostro sistema solare che altrove.

Per quanto ne sappiamo, siamo le uniche creature dotate della la capacità di apprezzare e capire il mondo naturale, compresi i mondi al di là della Terra: abbiamo quindi non solo la scelta ma anche l’obbligo di esplorare e scoprire la ricchezza del Sistema Solare, rimanendone abbagliati. Europa è la destinazione più avvincente a cui si possa ambire, e abbiamo identificato nell’Europa Clipper la missione che può farci arrivare lassù. Prima cominciamo, prima arriveremo.

Traduzione di DONATELLA LEVI

Editing ROBERTO FLAIBANI

Original Title: Turning the Tides, Setting Sail With the Europa Clipper –  written by  Alyssa Rhoden (NASA’s Goddard Space Flight Center) and Robert Pappalardo (Senior Research Scientist at JPL CalTec). Published by The Planetary  Society on the 2013 March Equinox issue of  “The Planetary Report”. Credits for pictures: NASA, The Planetary Society.

 

6 Mag 2013 Posted by | Astrofisica, Astronautica, Planetologia, Scienze dello Spazio, Senza categoria | , , , | 5 commenti

   

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