Di questi tempi siamo abituati a sentire frasi come “ridurre i consumi” e “risparmiare energia” praticamente in qualsiasi ambito. Per questo forse non sorprenderà sapere che discorsi del genere sono fatti anche nelle agenzie spaziali di tutto il mondo. E’ ben noto l’ampio utilizzo di pannelli solari da parte dei satelliti, ed è naturale che esistano degli studi per produrre motori più efficienti.
Quello che forse non tutti sanno è che, negli ultimi anni, il problema del risparmio energetico viene affrontato anche dal punto di vista matematico, per sviluppare orbite più efficienti e con un consumo minore di carburante.
Al giorno d’oggi, inviare 1 kilogrammo di materiale nello spazio può costare più di 10.000 euro. Per raggiungere la spinta necessaria ad entrare in orbita, infatti, siamo costretti ad utilizzare razzi da centinaia di tonnellate, capaci tuttavia di trasportare solo una decina di tonnellate di carico utile. Considerando poi che la maggior parte del peso dei razzi e dei satelliti da essi trasportati è costituito da carburante, è facile capire che si tratta di un processo piuttosto inefficiente.
Le _“orbite a bassa energia”,_ scoperte all’inizio degli anni 90, mirano ad attenuare questa inefficienza riducendo la quantità di carburante richiesto da un satellite per raggiungere la sua destinazione. Pur pagando il prezzo di durate molto più lunghe, si può così ridurre il peso totale del veicolo, risparmiando denaro.
La scoperta avvenne in occasione di una piccola odissea nello spazio, nel 1991. Un satellite Giapponese, diretto verso la Luna, aveva subito un guasto, perdendo qualsiasi contatto con la base a terra. Poiché si trattava di una missione storicamente e scientificamente importante per la nazione, il Giappone decise di sostituirla inviando una nuova sonda. Tuttavia questo satellite, chiamato “Hiten”, inizialmente non era stato progettato per arrivare fino alla Luna, ed il carburante a sua disposizione non sarebbe bastato utilizzando le manovre tradizionali.
Per questo motivo i Giapponesi si rivolsero alla NASA, presso la quale lavorava il matematico *Edward Belbruno.* Belbruno, che in quel periodo stava studiando delle orbite per motori a basse prestazioni, accettò la sfida. Sebbene la situazione fosse diversa da quella che aveva studiato fino a quel momento, riuscì a trovare un “percorso” nel cielo che portava dalla Terra alla Luna utilizzando pochissimo carburante per le sue manovre.
La missione fu un vero successo: dopo cinque mesi di viaggio Hiten arrivò a destinazione, rendendo il Giappone la terza nazione a mandare una sonda in orbita lunare.
Ma come è possibile risparmiare carburante semplicemente cambiando il percorso del satellite? E perché non era mai stato fatto prima? La risposta a queste domande si trova nell’utilizzo di una teoria matematica che spiega in modo più completo il movimento di un veicolo spaziale sotto l’effetto della gravità di corpi celesti come la Terra e la Luna (le orbite a bassa energia non si limitano solo al sistema Terra-Luna. Sono del tutto generali, e quindi potenzialmente utilizzabili con tutti i corpi del sistema solare).
Finora, nel calcolo delle orbite dei satelliti, è sempre stato considerato sufficiente tener conto di due soli corpi per volta, per esempio “Terra e satellite”, oppure “Luna e satellite”, a seconda di quale sia il più vicino. In questo caso la matematica in gioco è semplice e lineare, e calcolare la traiettoria del satellite risulta abbastanza facile. Si tratta di un metodo efficace: tutti i successi in ambito spaziale ottenuti fin’ora, compresi i viaggi umani sulla Luna, hanno fatto uso di questa semplificazione.
Se, però, prendiamo in considerazione più di due corpi, il moto diventa complesso ed imprevedibile, prendendo il nome di “moto caotico”. Vista la difficoltà dei calcoli in questo caso, si è sempre preferito usare l’ottica semplificata a due corpi che, dopo tutto, ha sempre funzionato a dovere.
Il problema dei metodi tradizionali è che richiedono molta energia. Immaginate di essere in un campo da golf, a pochi metri dalla buca, pronti a tirare. Nel suolo tra la vostra pallina e la buca, però, ci sono una serie di lievi collinette a complicare il tiro. Senza dover essere esperti di golf, è facile immaginare che per superare gli ostacoli sia necessario colpire la pallina con una certa energia. Se tirassimo troppo piano, essa finirebbe per deviare in una direzione casuale per le pendenze del suolo. Se sufficientemente veloce, però, la pallina “non fa in tempo” a sentire l’effetto dei dislivelli e può proseguire in modo grossomodo rettilineo.
Quando calcoliamo un’orbita considerando tanti corpi, invece di due soltanto, è come se ci trovassimo di fronte a tante “irregolarità” nel campo gravitazionale. I metodi tradizionali funzionano perché assegnano al satellite una velocità tale da poter ignorare gli effetti di tutti i corpi più lontani, permettendoci di inserire nel calcolo solo il contributo del più vicino. Ecco che ci ritroviamo, ai fini pratici, nel caso a due corpi.
Se, però, diamo alla sonda una spinta leggera, questa si ritroverà preda di tutte le disomogeneità gravitazionali dovute ai molti corpi in gioco. Per questo seguirà percorsi irregolari, convoluti, inaspettati.
Le orbite a bassa energia fanno parte di questa seconda tipologia “instabile”. Sfruttano le lievi spinte dei corpi celesti lontani per arrivare a destinazione con un utilizzo ridotto dei motori. La difficoltà, ovviamente, sta nel trovare il percorso giusto in mezzo a tutto quel caos. Per fortuna, Belbruno e gli altri ricercatori impegnati in questo studio hanno dimostrato che è possibile trovare e sfruttare delle _“regolarità nascoste”_ anche in questo caso.
Arriviamo così all’orbita di Hiten. Invece di un percorso diretto tra Terra e Luna, il satellite Giapponese seguì una traiettoria più lunga, allontanandosi dalla Luna in un primo momento, per poi tornarci con un po’ di aiuto da parte del Sole. In questo modo arrivò a destinazione con una velocità molto bassa, cadendo dolcemente nella “buca” rappresentata dalla Luna. In confronto, le orbite tradizionali ad “alta energia”, arrivano a destinazione con velocità elevate. Necessitano quindi di molto carburante per evitare di sfuggire dalla buca perdendosi nello spazio aperto.
A questo punto, è naturale chiedersi se convenga veramente allungare tanto la durata del trasferimento, solo per risparmiare del carburante. La missione americana Apollo, quella che ha portato l’uomo sulla Luna, impiegava circa 4 giorni dal lancio all’atterraggio sulla superficie lunare. Un’orbita simile a quella di Hiten, invece, richiede più di due mesi! E’ accettabile tenere delle persone nello spazio così a lungo? La risposta è, ovviamente, no. La sicurezza e il supporto delle funzioni vitali dell’equipaggio hanno la precedenza sul risparmio, ed è naturale cercare di minimizzare il tempo in cui esso è esposto a rischi.
D’altro canto le sonde scientifiche non trasportano un equipaggio e, in genere, non hanno particolari restrizioni temporali. In questi casi è il budget ad avere la priorità.
Esistono progetti per la costruzione di basi sulla superficie lunare da parte di Europa, Stati Uniti, Cina, Russia, Giappone ed India, tutti entro il 2030. Ciò significa che sarà necessario trasportare sulla Luna centinaia di tonnellate di materiali di costruzione, rifornimenti, ossigeno e carichi simili. Per farlo, ovviamente, serviranno un gran numero di viaggi. L’idea di risparmiare fino al 40% del carburante in ogni traversata, come nel caso dei viaggi a bassa energia verso la Luna, diventa quindi estremamente attraente.
Il campo di ricerca sulle orbite a bassa energia è ancora giovane. I ricercatori stanno studiando modi per rendere queste traiettorie facili da progettare e ancora più efficienti sia in termini di consumi che di tempi impiegati. Nel frattempo il loro utilizzo sta lentamente aumentando, man mano che le agenzie spaziali si rendono conto del loro potenziale. Ci sono ancora molti miglioramenti da fare, ma forse un giorno non troppo lontano la maggior parte dei nostri satelliti risparmieranno grandi quantità di carburante, grazie alle “autostrade gravitazionali” prodotte naturalmente dai pianeti in movimento.
Più rinnovabili di così…