L'esplorazione dello spazio ha portato allo sviluppo di veicoli specializzati, tra cui i satelliti artificiali e le sonde spaziali, ciascuno progettato per scopi specifici. Questo articolo esplora il funzionamento di questi veicoli, i sistemi che li supportano e le sfide associate al loro utilizzo.
L'Ambiente Spaziale e l'Orbita
Il vuoto dello spazio inizia a circa 80 km di quota, ma è oltre i 200 km che la densità atmosferica diventa talmente bassa da non frenare in modo apprezzabile il moto di un veicolo spaziale. Proprio per questo motivo, tali veicoli vengono posti in orbita a quote elevate.
I veicoli spaziali che orbitano attorno alla Terra sono chiamati satelliti artificiali, mentre quelli destinati all'esplorazione di altri corpi celesti sono denominati sonde spaziali. Spesso, le sonde spaziali fondono assieme le caratteristiche di diversi tipi di satellite.
Stabilità e Manovrabilità
Oltre a spedire un veicolo sulla giusta traiettoria, è fondamentale garantirne la stabilità e la manovrabilità. Un modo semplice per ottenere ciò è disporre le masse all’interno in modo da creare uno squilibrio tra centro di massa e baricentro. In questo modo, il veicolo si orienterà con il centro di massa in direzione del movimento, sebbene ciò non escluda l’instaurarsi di moti parassiti.
L'effetto giroscopico impedisce al veicolo di cambiare assetto, preventivamente stabilito in fase di progetto. Un sistema particolare è quello che sfrutta la piattaforma inerziale, un sistema di giroscopi in grado di fornire i valori di posizione ed orientamento del veicolo. Attraverso i razzi di manovra, il veicolo mantiene l’orientamento o lo cambia se richiesto. Infine, un sistema di controllo può essere attuato da sensori puntati su determinate stelle: al minimo movimento rispetto alla stella, il computer di bordo risponde accendendo i razzi di manovra.
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Sistemi di Alimentazione
I primi veicoli spaziali erano dotati di accumulatori, ma con autonomia limitata. Oggi, la tecnologia è collaudata e offre livelli di affidabilità e rese energetiche notevoli. Tuttavia, quando i satelliti entrano nel cono d’ombra della Terra, accumulatori ricaricabili sostituiscono l’energia fotovoltaica temporaneamente assente.
Per garantire continuità energetica senza dipendere dal Sole, si utilizzano le celle a combustibile, speciali contenitori dove viene provocata una combustione lenta dell’idrogeno con l’ossigeno grazie a un materiale catalizzatore, che assorbe l’energia elettrica che si sviluppa nella reazione controllata. In alternativa, si può ricorrere alla fissione atomica, convertendo in energia elettrica il calore prodotto da reazioni di fissione o utilizzando radioisotopi che producono particelle Beta o elettroni. Il lancio di veicoli dotati di energia atomica suscita preoccupazioni per i rischi in caso di incidente.
Fine Vita dei Veicoli Spaziali
Terminata la vita operativa di un satellite, si deve decidere la sua fine. Un tempo, lo si lasciava orbitare in attesa della sua caduta, ma oggi i satelliti sono molto grandi e nell’impatto con l’atmosfera terrestre qualche frammento può non disintegrarsi e fare danni. Dove è possibile, si pilota la caduta del satellite in modo che i suoi eventuali frammenti cadano in un oceano o in un deserto, altrimenti lo si sposta in un’orbita cimitero più alta, dove il tempo di caduta naturale si calcola in secoli.
Alcuni veicoli, per la natura della loro missione, devono tornare sulla Terra integri o sbarcare su altri corpi celesti. Inizialmente si credeva che un veicolo dal profilo aerodinamico e dotato di spessore d’acciaio potesse immergersi in qualsiasi atmosfera senza danni, ma i primi esperimenti mostrarono che profilo ed acciaio erano insufficienti, poiché le temperature dovute all’attrito con l’atmosfera superavano i mille gradi centigradi.
Rientro Atmosferico e Atterraggio
Ancora oggi molti veicoli usano una protezione passiva, costruendo uno scudo termico formato da strati di acciai diversi. Nell’impatto con l’atmosfera, il primo strato si surriscalda fino all’incandescenza e allo stato liquido, spostandosi per azione della pressione dell’aria e raffreddando lo strato successivo. Man mano che il veicolo s’addentra nell’atmosfera, la sua velocità diminuisce e con essa l’effetto riscaldante. Per salvare il veicolo e renderlo riutilizzabile, occorre rivestirlo di speciali rivestimenti ceramici e di grafite, capaci di resistere alle elevate temperature.
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Superata la fase del rientro, arriva il momento dell’atterraggio. Se possibile, il veicolo si libera dello scudo termico e si affida a un paracadute per frenare la caduta. In assenza di atmosfera, tutta la discesa e l’atterraggio devono essere eseguiti con appositi razzi frenanti.
Osservazione della Terra dallo Spazio
I satelliti artificiali permettono di migliorare la quantità e la qualità delle osservazioni terrestri. La lontananza consente di osservare ampie regioni del pianeta, ampliando il campo visivo. Alcuni satelliti commerciali catturano immagini con una risoluzione di 30 centimetri.
Le immagini satellitari possono essere utilizzate immediatamente per monitorare fenomeni naturali catastrofici, come uragani, tsunami o incendi, aiutando le autorità locali a salvaguardare la vita dei cittadini. Le immagini immagazzinate permettono di analizzare l’evoluzione del clima e dell’ambiente nel corso degli anni e di fare proiezioni per il futuro.
Le agenzie spaziali europea (ESA), americana (NASA) e giapponese (JAXA) hanno creato una task force comune per misurare l’impatto delle restrizioni sanitarie sul pianeta, analizzando le variazioni nella composizione atmosferica grazie agli strumenti dei satelliti.
La Percezione dei Satelliti e le Tecnologie di Bordo
I colori delle immagini satellitari non sono come quelli che vedremmo con i nostri occhi, poiché gli apparecchi montati sui satelliti colgono anche quello che sfugge ai nostri occhi.
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Orbite e Moti dei Satelliti Artificiali
In senso lato, un satellite artificiale è ogni massa materiale posta, per opera dell'uomo, in un'orbita attorno a un corpo celeste. Durante la fase della messa in orbita o di cambiamento delle caratteristiche di un'orbita, determinati archi della traiettoria descritta dal veicolo spaziale vengono percorsi per effetto della risultante della forza di attrazione e delle forze sviluppate dalla reazione dei getti dei razzi.
Il 4 ottobre 1957, giorno dell'immissione in orbita del primo satellite artificiale della Terra da parte dell'URSS, segna per l'umanità l'inizio dell'era cosmica.
La massa di un satellite artificiale è assai piccola rispetto alla massa del Sole, della Terra, dei Pianeti, della Luna, rendendo trascurabili le accelerazioni indotte sui corpi celesti.
Se si considera soltanto una massa molto grande (corpo celeste) ad una molto piccola (satellite artificiale), il moto della massa piccola rispetto al centro della massa molto grande obbedisce, per le orbite chiuse, alle leggi di Keplero.
Supposto il satellite a distanza tale da risentire l'attrazione di un solo corpo celeste, supposto sferico ed omogeneo, la teoria delle orbite mostra che il satellite descrive una conica con uno dei fuochi nel centro del corpo celeste. Le orbite chiuse sono ellissi, in particolari circonferenze; quelle aperte parabole o uno dei due rami di iperboli.
La traiettoria risultante del moto del satellite dipende dalla velocità iniziale. Se la velocità è inferiore a un certo valore, l'orbita è ellittica. Se la velocità ha un valore definito, la traiettoria diviene circolare. Se la velocità è maggiore della velocità circolare, l'orbita ritorna ad essere ellittica. Al crescere della velocità, si arriva a un valore cui corrisponde l'unica orbita parabolica possibile, detta velocità parabolica. Se la velocità è superiore, l'orbita diviene iperbolica.
Per portare il satellite in orbita, l'energia che il missile vettore deve sviluppare è maggiore per vincere la resistenza atmosferica e per compensare le perdite per gravità.
Per la definizione dell'orbita di un satellite artificiale sono necessari 6 elementi analoghi a quelli necessari per definire l'orbita di un pianeta.
Il piazzamento del satellite sull'orbita avviene secondo un "dispositivo programmatico di guida" incorporato nel missile, che funziona come uno speciale pilota automatico.
La rotazione della Terra facilita il lancio se fatto verso Est.
Poiché la Terra è schiacciata ai poli, il campo d'attrazione non è centrale; da questa dissimetria ne deriva che il piano dell'orbita del satellite non mantiene il suo orientamento invariato ma ruota molto lentamente senza però modificare la sua inclinazione rispetto al piano equatoriale.
Intelligenza Artificiale e Autonomia dei Veicoli Spaziali
La sfida principale consiste nel garantire l’autonomia dei veicoli spaziali, poiché non sempre è possibile comunicare con essi; pertanto, devono essere in grado di prendere decisioni in tempo reale. A questo si aggiunge anche una certa latenza tra l’invio del segnale e l’esecuzione dello stesso da parte del veicolo.
Il deep learning permette agli algoritmi di generalizzare anche in situazioni non previste, per cui non sono stati esplicitamente progettati, migliorando così la navigazione e il controllo. Le leggi di controllo si basano su una conoscenza dell’ambiente in cui il veicolo sta volando. Le tecniche di apprendimento "on-line" permettono al satellite di rifinire la sua conoscenza dell’ambiente mentre vola. Pertanto, non è necessario sviluppare formule analitiche che considerano tutte le perturbazioni e tutti i termini non modellati di cui siamo incerti.
L’intelligenza biologica, in particolare quella del cervello umano, ha ispirato profondamente lo sviluppo di modelli di navigazione e controllo nell’ambito dell’intelligenza artificiale (AI). Alcuni ricercatori sostengono che le tecniche di intelligenza artificiale dovrebbero cercare di imitare il funzionamento del cervello. Un’alternativa interessante è rappresentata dalle architetture neuromorfiche, che cercano di trovare un equilibrio tra la replica del funzionamento neuronale e la semplificazione del modello.
Ci sono due modi per affrontare le situazioni imprevedibili: il primo si basa solo sui dati, mentre il secondo utilizza modelli fisici, integrando le leggi fisiche con informazioni aggiuntive.
Nel laboratorio, ci si impegna a replicare le condizioni che gli strumenti e i robot incontreranno nello spazio, creando modelli che si avvicinano il più possibile alla realtà e testando gli algoritmi in scenari diversi e simulando condizioni variabili.
Una delle principali sfide è la fiducia negli algoritmi di intelligenza artificiale utilizzati per il controllo autonomo. Per affrontare questo problema, si sta lavorando su metodi di intelligenza artificiale “explainable“, che permettano di comprendere come e perché un algoritmo prende determinate decisioni.
Applicazioni e Tipi di Satelliti Artificiali
I satelliti artificiali sono portati in orbita da un razzo vettore che, imprimendo una spinta sufficiente, permette loro di uscire dal campo di attrazione terrestre o di portarsi a una quota tale da poter poi rimanere in orbita attorno alla Terra.
In un satellite artificiale sono presenti uno o più piccoli razzi per effettuare modifiche della rotta o dell'orbita, un sistema di rilevazione dati, come per esempio una o più telecamere, un sistema di trasmissione e ricezione per scambiare dati con la stazione di controllo sulla Terra.
Le orbite dei satelliti artificiali intorno alla Terra vanno da quelle basse (dai 200 ai 1.200 km di altezza) a quelle geosincrone, a quota 35.786 km.
Esistono diversi tipi di satelliti artificiali:
- Satelliti artificiali spia: per la sorveglianza e l'intercettazione degli obiettivi militari.
- Satelliti artificiali per telecomunicazioni: utilizzati per effettuare collegamenti su medie e grandi distanze sia dalle emittenti televisive sia per servizi telefonici.
- Satelliti artificiali meteorologici: eseguono un costante monitoraggio dell'atmosfera e forniscono dati e immagini fondamentali per le previsioni del tempo.
- Satelliti artificiali di telerilevamento: osservano costantemente il suolo per sorvegliarne i mutamenti, come lo sviluppo di colture agricole, eventuali modificazioni del terreno, l'aumento o la diminuzione della superficie dei ghiacci artici o la variazione della temperatura dei mari.
- Satelliti artificiali di navigazione: come il GPS o l'europeo Galileo, in grado di determinare la posizione di un veicolo, un aeromobile o una nave con un margine di errore di pochi metri.
- Telescopi spaziali: come l'Hubble Space Telescope, utilizzati per l'osservazione dello spazio.
L'Era dei Satelliti Artificiali e le Sue Implicazioni
Il lancio dello Sputnik ha permesso di comprendere immediatamente le enormi potenzialità belliche e civili offerte dall'impiego dei satelliti artificiali. La collocazione dei satelliti al di fuori dell'atmosfera terrestre consente infatti di effettuare osservazioni che sulla superficie del nostro pianeta sarebbero impossibili.
Tra gli usi civili dei satelliti molto diffuso è l'impiego per le telecomunicazioni e per la trasmissione di programmi televisivi. Tra le applicazioni del tutto inaspettate ha avuto negli ultimi anni un forte sviluppo il capitolo delle tecnologie di localizzazione GPS.
Agli inizi dell'era spaziale solo l'Unione Sovietica e gli Stati Uniti possedevano la tecnologia necessaria per mettere in orbita i satelliti, mentre ora sono decine i paesi in grado di lanciare sonde e satelliti.
I satelliti hanno raggiunto una tale diffusione nello spazio circostante il nostro pianeta che è nato il problema di smaltire la 'spazzatura' spaziale, vale a dire i residui costituiti da sonde in disuso, frammenti di missili, pannelli e altri oggetti che continuano a orbitare attorno alla Terra.
Accanto all'uso civile, i satelliti rappresentano anche un importante strumento bellico, utilizzati in combattimento per guidare aerei, carri armati, singole pattuglie o missili verso gli obiettivi fissati.
Conclusioni
I satelliti artificiali e le sonde spaziali sono strumenti fondamentali per l'esplorazione dello spazio, l'osservazione della Terra e le telecomunicazioni. Il loro sviluppo ha portato a progressi significativi in diversi campi, dalla meteorologia alla navigazione, ma ha anche sollevato nuove sfide, come la gestione dei detriti spaziali e la necessità di garantire l'autonomia dei veicoli spaziali. L'evoluzione di questi veicoli continua a essere un campo di ricerca attivo e promettente, con un crescente interesse da parte delle agenzie spaziali e delle aziende private.
L'importanza della ricerca e dello sviluppo
La ricerca e lo sviluppo nel campo dei veicoli spaziali sono in una fase molto attiva, soprattutto per quanto riguarda l’autonomia dei satelliti e le missioni lunari. C’è un crescente interesse da parte delle agenzie spaziali e delle aziende private, che stanno esplorando la commercializzazione di servizi legati ai satelliti autonomi. L’obiettivo finale è quello di avere veicoli in grado di atterrare autonomamente sulla Luna e gestire i satelliti in orbita, sia riparando quelli malfunzionanti sia rifornendoli di propellente per prolungarne la vita.
Il Futuro dei sistemi di navigazione
Una delle ambizioni è quella di migliorare i sistemi di navigazione. Attualmente, si lavora con moduli distinti di guida, navigazione e controllo. Tuttavia, se guardiamo più da vicino, ci rendiamo conto che non tutto è così chiaramente separato, specialmente nel campo dell’informatica. Nel futuro, si vorrebbe esplorare ulteriormente come comprendiamo la nostra posizione e come decidiamo dove vogliamo andare. Spesso, mentre camminiamo, non pensiamo attivamente alle distanze: non ci preoccupiamo di quanti centimetri ci separano dagli oggetti intorno a noi. Questa “navigazione inconscia” sembra rendere il processo più efficiente, eppure non siamo ancora in grado di replicarla completamente nelle macchine.
La competizione nello spazio
Gli ultimi venti anni sono stati caratterizzati da una rinnovata motivazione all’esplorazione spaziale e dalla decisa volontà delle principali potenze mondiali di accrescere la propria presenza nel sistema solare e nell’orbita terrestre. Le collaborazioni pubblico-privato hanno permesso ad alcuni Paesi di ottenere importanti vantaggi nell’arco di alcuni anni.
Il divario esistente fra l’esiguo numero di attori che possono esercitare una forma di potere spaziale e i Paesi con una visione ancora stato centrica, con ristrettezze economiche e con difficoltà di sviluppo tecnologico è fonte di insicurezza e di tensioni politico-diplomatiche. In un quadro di conflittualità continua, è verosimile che la capacità di un Paese di operare nello spazio possa essere oggetto di aggressione o essere esposta ad una minaccia. Per questo motivo, gli attori internazionali stanno imparando a gestire e a proteggere il proprio segmento di potere spaziale, in uno scenario di crescente trasformazione digitale, di maggior coinvolgimento dell’opinione pubblica e, in generale, di una competizione senza confini e regole.
Il concetto di potere spaziale, benché sia oggetto di particolare interesse geopolitico, a oggi non è stato univocamente definito. Alcuni autori si sono, pertanto, soffermati sull’idea che il potere spaziale sia la manifestazione della capacità di utilizzare l’ambiente extra atmosferico per poter generare ricchezza, per accrescere la propria sicurezza e la propria autorità politico-diplomatica, per individuare nuove fonti di energia e cogliere le opportunità di esplorazione e sopravvivenza in zone dell’universo diverse dal pianeta Terra.
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