SPAZIO, ESPLORAZIONE DELLO
Spazio, esplorazione dello
Le missioni di esplorazione del Sistema solare e i programmi di osservazione dell'Universo con i telescopi orbitanti hanno avuto grande impulso, a partire dalla metà degli anni Novanta del 20° sec. (le tabelle 1, 2, 3 riassumono le informazioni essenziali relative alle missioni spaziali interplanetarie). Al contrario, l'assemblaggio della stazione spaziale internazionale Alpha ha subito un forte rallentamento, in seguito alla temporanea interruzione dei voli dello Space Shuttle decisa dalla NASA dopo la perdita del Columbia. Nel seguito saranno esposti gli sviluppi relativi alla stazione spaziale e alle iniziative di esplorazione di Marte. Il pianeta ha infatti suscitato un tale interesse da parte di tutte le maggiori agenzie spaziali che è dall'epoca della corsa verso la Luna che un singolo corpo celeste non viene raggiunto da tante missioni in un periodo di tempo così breve.
Lo Shuttle Columbia si è disintegrato il 1° febbraio 2003 durante la fase di rientro nell'atmosfera, al termine della missione STS-107. L'incidente, costato la vita ai sette membri dell'equipaggio, è stato provocato da un cedimento strutturale dovuto all'altissima temperatura (circa 2000 °C) a cui furono sottoposte le centine dell'ala sinistra per via di una breccia apertasi nello scudo termico. Infatti pochi secondi dopo il decollo alcune piastrelle protettive erano saltate dall'attaccatura dell'ala per l'impatto con un pezzo di materiale isolante staccatosi dal serbatoio esterno. Mentre la NASA avviava il programma Return to Flight, implementando un nuovo protocollo di sicurezza per le missioni Shuttle, i rifornimenti e l'avvicendamento degli astronauti a bordo di Alpha sono stati garantiti dall'agenzia spaziale russa con l'invio periodico del cargo Progress e del veicolo spaziale Soyuz TMA. Nel 2004 l'Agenzia russa per l'aviazione e lo spazio (RKA) è stata sostituita dalla nuova Agenzia spaziale federale russa (FKA). Solo con la missione STS-114 dello Shuttle Discovery (26 luglio-9 agosto 2005) sono ripresi i voli della navetta spaziale, che la NASA ha inteso principalmente utilizzare per completare la stazione spaziale entro la fine del decennio. Tra gli studi da effettuare su Alpha viene data particolare enfasi alle ricerche che riguardano gli effetti sulla salute di una lunga permanenza nello spazio, in vista delle future missioni umane verso la Luna e, soprattutto, verso Marte.
Esplorazione di Marte. - La NASA ha posto tra le sue priorità l'esplorazione di Marte, con l'avvio nel 1994 del Mars Surveyor Program e nel 2000 del Mars Exploration Program. L'intento è quello di approfondire le conoscenze sulla topografia, la geologia e la meteorologia di Marte allo scopo di preparare la strada allo sbarco dell'uomo sul pianeta.
Il Mars Surveyor Program fu varato in risposta al fallimento della missione Mars Observer. La sonda era un satellite commerciale per le comunicazioni riconvertito in stazione orbitante (orbiter). Mars Observer fu perduto nel 1993 nel corso delle manovre di inserimento nell'orbita marziana, forse a causa di un'esplosione avvenuta durante l'accensione dei motori di controllo. Con il Mars Surveyor Program la NASA abbandonò l'idea di realizzare missioni troppo ambiziose e complesse, che richiedevano finanziamenti cospicui e correvano alti rischi d'insuccesso. Venne adottata una nuova strategia, secondo cui le nuove missioni avrebbero dovuto ricorrere a sonde di massa ridotta (inferiore a 1000 kg) grazie a soluzioni tecnologiche innovative; in questo modo sarebbe stato possibile contenere i costi e i rischi. Il rispetto rigoroso delle fasi di progettazione e realizzazione diventava indispensabile per sfruttare al meglio la finestra di lancio che si apre ogni 26 mesi e rende possibile il viaggio tra la Terra e Marte in meno di un anno, in virtù della reciproca posizione dei due pianeti rispetto al Sole. Le prime due missioni del nuovo programma, Mars Global Surveyor e Mars Pathfinder, furono inviate verso Marte sul finire del 1996 e riscossero un successo al di là delle aspettative.
Mars Pathfinder, che giunse su Marte nel luglio 1997, era stato concepito come banco di prova per verificare il funzionamento dei sistemi di controllo, comunicazione, raccolta e analisi dei dati dei moduli d'atterraggio (lander) e dei veicoli mobili (rover) progettati per l'esplorazione sistematica del pianeta. Il lander di Mars Pathfinder fu ribattezzato Sagan Memorial Station dopo l'atterraggio nella regione di Ares Vallis, una zona interessante dal punto di vista geologico e ritenuta sicura perché priva di asperità. Per rallentare la sonda e attutirne l'impatto con il suolo venne utilizzato un nuovo sistema di airbag oltre ai tradizionali dispositivi per il rientro in atmosfera (scudo termico aerodinamico, paracadute e razzi a retrospinta). Dopo essere sbarcato dal lander, il rover Sojourner fu radioguidato dal centro di controllo terrestre nei dintorni dell'area di atterraggio. Sojourner ha continuato a inviare immagini del paesaggio marziano e ad analizzare la composizione chimica del suolo e delle rocce circostanti fino a quando le comunicazioni non si sono interrotte alla fine del settembre 1997.
Mars Global Surveyor fu inserito in orbita attorno a Marte nel settembre 1997 al fine di eseguire la prima ricognizione completa delle caratteristiche topografiche, geologiche, climatiche e magnetiche del pianeta. Il periodo orbitale del satellite venne ridotto dalle 45 ore dell'orbita ellittica iniziale ai 118 minuti dell'orbita circolare finale grazie all'aerobraking. Questa tecnica di navigazione permette di compiere le manovre orbitali regolando l'attrito dei panelli solari con gli strati più alti dell'atmosfera marziana. La fase di aerobraking, che doveva durare circa quattro mesi, fu prolungata fino al marzo del 1999 per supplire alle impreviste vibrazioni e alla non corretta orientazione di uno dei pannelli. Successivamente l'orbiter ha iniziato a scattare immagini della superficie di Marte da una altezza di circa 370 km e con una risoluzione di circa 100 m. Durante ogni orbita il satellite sorvola entrambe le calotte polari; esso si muove in direzione del Polo Sud quando passa sopra il lato del pianeta esposto al Sole e in direzione del Polo Nord quando si muove sul lato in ombra. L'equatore viene sempre sorvolato quando l'ora locale marziana segna le 2 pomeridiane. Questo garantisce che, a parità di latitudine, le fotografie siano ottenute con le stesse condizioni di illuminazione del suolo e temperatura dell'aria, facilitando il confronto dei dati ottenuti in aree e in epoche diverse. L'orientazione quasi polare dell'orbita (inclinazione 93°) fa sì che l'intera superficie planetaria venga fotografata ogni 7 giorni marziani sfruttando il moto di rotazione del pianeta. Questo tipo di orbita, detta sincrona con il Sole, è comunemente adottata per il telerilevamento (remote sensing) della superficie terrestre, ma non era mai stata considerata nel caso di un pianeta. Senza il ricorso all'aerobraking l'inserimento di un satellite su di un'orbita sincrona con il Sole avrebbe richiesto l'imbarco di un'eccessiva quantità di combustibile di controllo. Mars Global Surveyor ha completato la sua missione nel gennaio del 2001, dopo aver sorvolato il pianeta per un intero anno marziano. Successivamente la missione è stata prolungata e l'orbiter ha funzionato anche da ponte radio con le sonde arrivate in seguito.Per la successiva finestra di lancio verso Marte, gli istituti di ricerca aerospaziale giapponesi, che dal 2003 sono coordinati dalla JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency), allestirono la sonda Nozomi, mentre la NASA programmò l'invio di Mars Climate Orbiter e Mars Polar Lander/Deep Space 2. Dopo il buon esito dei lanci, avvenuti tra il 1998 e il 1999, niente lasciava presagire che tutte e tre le missioni erano destinate al fallimento.
Durante il passaggio ravvicinato (flyby) con la Terra del dicembre 1998, Nozomi (già noto come Planet-B) esaurì quasi tutto il combustibile di controllo a causa di un malfuzionamento di una valvola del motore di controllo e venne messa su un'orbita alternativa che la portò al flyby con Marte nel dicembre 2003. Si decise allora di usare il combustibile rimasto per ridurre al minimo le probabilità di impatto con il pianeta e la sonda fu inserita su un'orbita eliocentrica dopo essere passata a circa 1000 km dalla superficie marziana.
Nel settembre 1999, Mars Climate Orbiter, che era stato concepito per studiare il clima di Marte e funzionare da stazione di comunicazione per Mars Polar Lander, bruciò nell'atmosfera marziana avendo sbagliato l'angolo di entrata. Nel dicembre 1999 il contatto radio con Mars Polar Lander si interruppe subito dopo il distacco dal satellite di trasporto. La missione si proponeva di far atterrare il lander ai margini della calotta polare dell'emisfero Sud, dove avrebbe dovuto analizzare campioni di terreno raccolti dal braccio meccanico. Durante la fase di atterraggio, Mars Polar Lander avrebbe dovuto rilasciare Deep Space 2 composto da due penetratori sperimentali identici, denominati Scott e Amundsen in onore dei primi esploratori che raggiunsero il Polo Sud terrestre. Ciascuno dei penetratori era fatto di due parti distinte, protette da uno scudo termico e connesse tra di loro da un cavo. A un'estremità vi era la trivella in grado di scavare il suolo fino a una profondità di circa 60 cm e analizzarlo alla ricerca di ghiaccio d'acqua. L'altra estremità era collegata a una stazione radio, che, rimanendo in superficie, avrebbe comunicato con la Terra attraverso il Mars Global Surveyor. Gli insuccessi di Mars Climate Orbiter e Mars Polar Lander furono poi attributi alla scarsità delle risorse economiche impiegate nella fase di progettazione. Ciò indusse la NASA a riconsiderare la strategia delle missioni a basso costo concludendo il Mars Surveyor Program nel 2000. La prima decisione presa nell'ambito del nuovo Mars Exploration Program fu quella di ridimensionare la missione prevista per il 2001, eliminando il lander per concentrare tutti gli sforzi nella realizzazione dell'orbiter. 2001 Mars Odyssey prese il volo nell'aprile 2001 e fu inserito in orbita attorno a Marte nell'ottobre 2001. Dopo la fase di aerobraking, l'orbiter fu posto su un orbita circolare, quasi polare e sincrona al Sole analoga a quella di Mars Global Surveyor. Tra il febbraio 2002 e l'agosto 2004 il satellite fu in grado di misurare la quantità e la distribuzione degli elementi chimici presenti sulla superficie di Marte, ottenere una mappa completa del pianeta con una risoluzione di circa 20 m e determinare la quantità di radiazioni alla quota dell'orbita. Con 2001 Mars Odyssey vennero finalmente raggiunti gli obiettivi scientifici che avevano ispirato Mars Observer. Come Mars Global Surveyor, anche 2001 Mars Odyssey è dal 2005 pienamente operativo e ha contribuito a mantenere i contatti con le missioni successive, in particolare con i lander lanciati nel 2003.
Con la finestra di lancio del 2003 anche l'agenzia spaziale europea ESA (European Space Agency) ha rivolto il proprio interesse verso Marte. Ai primi di giugno 2003 l'orbiter Mars Express e il lander Beagle 2 sono stati lanciati dalla base di Baikonur (Kazakistan) a bordo di un razzo russo Soyouz/Fregat. Con Mars Express è iniziato il programma di missioni flessibili a basso costo con cui l'ESA si propone di sviluppare contemporaneamente più sonde da selezionare e lanciare a seconda delle opportunità scientifiche ed economiche del momento. Il contributo dell'ASI (Agenzia Spaziale Italiana) è stato cruciale nella realizzazione della strumentazione radar per la ricerca di acqua sulle calotte polari e nel sottosuolo marziano.
Questo era l'obiettivo principale di Mars Express, che imbarcava anche una parte della strumentazione di monitoraggio dell'atmosfera e del suolo che era stata progettata per la sonda russa Mars 96, schiantatasi al suolo poco dopo il decollo nel novembre 1996. Nel dicembre 2003, pochi giorni prima di entrare in orbita attorno al pianeta, Mars Express ha rilasciato Beagle 2. Il lander era progettato per entrare nell'atmosfera marziana protetto da uno scudo termico aerodinamico e atterrare grazie al sistema di paracadute, razzi a retrospinta e airbag secondo lo schema collaudato da Mars Pathfinder. Sfortunatamente, Beagle 2, che avrebbe dovuto eseguire esperimenti di esobiologia nella regione di Isidis Planitia alla ricerca di tracce di vita passate e presenti, è andato perduto durante la discesa. A nulla sono valsi i diversi tentativi di ripristino dei contatti eseguiti tanto dalle sonde in orbita attorno a Marte quanto dai radiotelescopi terrestri. Tra il giugno e il luglio del 2003 la NASA ha inviato verso Marte prima Mars Exploration Rover A (Spirit) e successivamente Mars Exploration Rover B (Opportunity). Nonostante il carico utile (payload) alle due missioni fosse identico, la diversa posizione della Terra, di Marte e del Sole al momento dei due lanci ha imposto l'uso di due lanciatori diversi, di cui il secondo doveva essere più potente del primo. Il ritardo tra i due lanci è stato dettato dall'espletamento delle procedure di controllo e manutenzione della base di lancio, necessarie per garantirne l'operatività in piena sicurezza. Nel gennaio 2004 Spirit e Opportunity sono sbarcati rispettivamente nel cratere Gusev e nell'area di Meridiani Planum. I due luoghi d'atterraggio si trovano nella regione equatoriale su facce opposte e sono stati selezionati per la possibile presenza di acqua liquida in epoche passate. Progettati per funzionare per almeno tre mesi, Spirit e Opportunity sono ancora perfettamente efficienti a tre anni dal loro atterraggio su Marte. Ciascun veicolo pesa 185 kg, si muove a una velocità massima di 5 cm/s e può percorrere fino a 40 m al giorno. Questo significa che i due veicoli visitano quotidianamente un'area equivalente a quella esplorata da Sojourner in tre mesi. Per questo motivo e diversamente da quanto era accaduto per Mars Pathfinder, Spirit e Opportunity sono completamente indipendenti dai loro landers e portano con sé tutta la strumentazione scientifica necessaria per la ricerca di tracce d'acqua nel suolo e nelle rocce. Il percorso da seguire e le analisi da compiere vengono decisi di giorno in giorno sulla base dei dati inviati al centro di controllo tramite Mars Global Surveyor, 2001 Mars Odyssey e Mars Express. Nonostante ciò, i due veicoli sono programmati per aver un certo grado di autonomia ed evitare le crepe, le pendenze troppo ripide o le rocce che si trovano inaspettatamente sul loro cammino.
Il 12 agosto 2005 la NASA ha lanciato Mars Reconnaisance Orbiter, che ha raggiunto Marte nel marzo 2006. Il satellite studierà per almeno due anni i cambiamenti stagionali del contenuto di acqua e polvere dell'atmosfera e cercherà ulteriori evidenze della presenza di antichi mari sulla superficie marziana con una camera fotografica in grado di risolvere dettagli topografici fino a circa 30 cm.
Altre missioni, che richiederanno un'ampia collaborazione internazionale, sono già state programmate per le prossime finestre di lancio del 2007 (Phoenix/Mars Scout 1) e 2009 (Mars Science Laboratory, Mars Telecommunications Orbiter, Exomars, BeagleNet), con l'idea di arrivare preparati all'appuntamento del 2011 per l'invio di una sonda (Mars Sample Return) in grado di raccogliere e spedire sulla Terra campioni di rocce marziane. Se fino a oggi l'esplorazione di Marte è stata condotta con stazioni orbitanti, moduli d'atterraggio e veicoli mobili, le missioni future (come Mars Scout 2 prevista per il 2011) potrebbero ricorrere anche a palloni sonda, aeroplani e trivelle in grado di penetrare sotto la superficie per qualche centinaio di metri.