La spazzatura spaziale soffoca le orbite intorno alla Terra, ma c’è chi ha una soluzione

Dal lancio del primo satellite è creciuto lo space junk. La soluzione? Ripulire lo spazio dai rifiuti esistenti e ridurre l’inquinamento delle missioni

di Stefania Elena Carnemolla 14-11-2019 - 14:45

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Nell’aprile del 2016, mentre era a bordo della Cupola della Stazione Spaziale Internazionale impegnato come ingegnere di volo della missione Expedition 47, il britannico Timothy Peake, dal 2009 astronauta dell’ESA, l’agenzia spaziale europea, scattò una foto a un chip, scheggiatura, di 7 mm di diametro visibile su uno dei finestrini.

Chip su pannelllo della Cupola della Stazione Spaziale Internazionale © ESA_/NASA

“Mi viene spesso chiesto se la Stazione Spaziale Internazionale venga mai colpita dai detriti spaziali. Sì, questo è il chip su uno dei finestrini della nostra Cupola, felice che sia a quattro strati!” commentò l’astronauta.

SOTTO UNA PIOGGIA DI DETRITI E METEORITI

La cupola della Stazione Spaziale Internazionale è stata costruita da Thales Alenia Space su contratto dell’ESA. Operativa dal 2010, si presenta come un modulo di osservazione esagonale con sei finestrini trapezoidali laterali e uno circolare sulla sommità, tutti progettati per esseri sigillati con “speciali tapparelle” contro il rischio meteoriti e detriti spaziali. I finestrini sono a strati, nell’ordine: una lastra di vetro al quarzo borosilicato a tenuta d’aria, una seconda lastra, uguale alla prima, ma più esterna e pronta a sostituirla in caso di necessità, quindi due pannelli antigraffio, uno all’esterno e uno all’interno, pensati per proteggere i vetri a tenuta d’aria.

Cupola della Stazione Spaziale Internazionale © Agenzia Spaziale Italiana

Nello scatto dell’astronauta ESA il chip è sul pannello antigraffio più esterno. Cosa poteva aver scheggiato uno dei finestrini? Un fiocco di vernice o un piccolo frammento di metallo? Certo, un oggetto minuscolo ma non tanto da non scalfire il pannello del modulo a causa della sua considerevole energia cinetica. “I detriti più grandi costituirebbero una seria minaccia” commenterà l’ESA il 12 maggio di quell’anno nel diffondere lo scatto. “Un oggetto di dimensioni fino a 1 cm potrebbe disabilitare uno strumento o un sistema di volo critico su un satellite. Qualunque cosa al di sopra di 1 cm potrebbe penetrare negli scudi dei moduli dell’equipaggio della Stazione e qualsiasi cosa più grande di 10 cm potrebbe frantumare un satellite o un veicolo spaziale”.

SPACE DEBRIS O SPACE JUNK?

Lo scatto del 2016 è diventato il simbolo della sempre più crescente preoccupazione per ciò che viene chiamato space debris o space junk, cioè, detriti spaziali o spazzatura spaziale. Si tratta principalmente di detriti, spiega Vitrociset, una controllata di Leonardo, azienda italiana attiva nei settori della difesa, dell’aerospazio e della sicurezza, prodotti dal disuso di satelliti in orbita, sonde, pannelli solari, razzi, frammenti, parti di navicelle o utensili andati perduti durante le missioni spaziali, nonché da scaglie di vernice. Questi detriti possono trovarsi nell’orbita LEO (Low Earth Orbit), MEO (Medium Earth Orbit), GEO (Geosynchronous Earth Orbit) e HEO (Highly Elliptical Orbit). Conoscere la loro distribuzione è fondamentale per prevenire potenziali collisioni, ad esempio quelle ad alta velocità tra satelliti attivi e detriti orbitanti, senza dimenticare che i satelliti artificiali possono subire collisioni intenzionali attraverso l’uso di armi anti-satellite o collisioni a bassa velocità non intenzionali durante le operazioni di rendez-vous o fallito aggancio.

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Detriti spaziali

Simulazione movimento detriti spaziali

COLLISIONI DI SATELLITI

L’ESA ci ha, ad esempio, ricordato come dal 1961 si siano registrati più di 290 eventi di frammentazione in orbita, dovuti in gran parte all’esplosione di veicoli spaziali e di stadi superiori, mentre solo alcuni, meno di 10, sono il risultato di collisioni: “La prima accidentale collisione in orbita tra due satelliti” così l’ESA “avvenne alle 16:56 UTC, il 10 febbraio 2009, a 776 km di altitudine sopra la Siberia. Un satellite di comunicazione americano di proprietà privata ancora operativo, Iridium-33, e un satellite militare non operativo russo, Kosmos, americanizzato come Cosmos, si sono scontrati a 11,7 km/s. Entrambi sono andati distrutti e sono stati generati più di 2300 frammenti rintracciabili, alcuni dei quali sono rientrati da allora, ovvero sono decaduti e sono rientrati nell’atmosfera, bruciando”.

Collisione satelliti Kosmos o Cosmos e Iridium-33 © APoD-NASA

La salvaguardia dei satelliti arficiali è, pertanto, importante considerato il loro vasto impiego. Ci sono, infatti, i satelliti scientifici usati in geofisica e in astronomia e quelli applicativi cui appartengono i satelliti per le telecomunicazioni, la meteorologia, il telerilevamento, la cartografia, l’osservazione sistematica della superficie terrestre, la navigazione come i satelliti delle rete GPS, e ancora i satelliti militari a scopo offensivo, di difesa e di controllo, infine le stazioni orbitanti come la Stazione Spaziale Internazionale.

LA SINDROME DI KESSLER

I satelliti, tuttavia, hanno raggiunto una tale diffusione che già nel 1978 nello studio dal titolo Collision Frequency of Artificial Satellites: The Creation of a Debris Belt degli scienziati NASA Donald J. Kessler e Burton G. Cour Palais e pubblicato il 1° giugno di quell’anno sul Journal of Geophysical Research, s’ipotizzò come all’aumentare del numero dei satelliti artificiali nell’orbita terrestre sarebbe aumentata la probabilità di collisione fra di loro, con le collisioni satellitari destinate a produrre frammenti orbitanti, ciascuno destinato a sua volta a produrre ulteriori collisioni portando alla crescita intorno alla Terra di una fascia di detriti con una densità tale da rendere lo spazio inutilizzabile per diverso tempo. È, questo, l’effetto noto come sindrome di Kessler.

ORBITE AFFOLLATE

L’ESA, con dati aggiornati al gennaio 2019, ha calcolato che dal 1957, anno che segna l’inizio dell’era spaziale con il lancio in orbita del satellite russo Sputnik, sono stati lanciati circa 5450 razzi (esclusi i tentativi falliti) e, nell’orbita terrestre, circa 8950 satelliti, di cui circa 5000 si trovano ancora nello spazio, con circa 1950 ancora funzionanti. Secondo i calcoli circa 22.300 sarebbero i detriti regolarmente tracciati e catalogati dalle reti di sorveglianza spaziale. 500 è, invece, il numero stimato di rotture, esplosioni, collisioni o eventi anomali che hanno provocato frammentazioni, mentre oltre 8.400 sono le tonnellate di oggetti spaziali nell’orbita terrestre. Parlando di detriti, secondo le stime in orbita sarebbero 34.000 gli oggetti maggiori di 10 cm, 900.000 quelli fra 1 e 10 cm e 128 milioni quelli da 1 mm a 1 cm, quanto basta per capire come quello dei detriti spaziali venga considerato un problema sempre più urgente.

“L’ESA è in prima linea nello sviluppo e nell’implementazione di linee guida per la mitigazione dei detriti, perché il modo migliore per evitare problemi derivanti dai detriti orbitali è in primo luogo non causarli” spiegava tempo fa Holger Krag, a capo dello Space Debris Office dell’agenzia. “Queste linee guida si applicano a tutte le nuove missioni svolte dall’ESA e includono lo scarico di serbatoi di carburante e lo scaricamento di batterie al termine di una missione, per evitare esplosioni e garantire che i satelliti rientrino nell’atmosfera e si brucino in sicurezza entro 25 anni dalla fine delle loro vite lavorative”.

Anche l’ESA ha lanciato l’allarme su un futuro a tutto detriti: “Come conseguenza del numero crescente di detriti” ci ha spiegato “anche la probabilità di collisioni catastrofiche aumenterà progressivamente, perché raddoppiando il loro numero, ciò aumenterà di circa quattro volte il rischio di collisione” al punto che nel giro di qualche decennio “le collisioni inizieranno a prevalere sulle esplosioni ormai in atto” con il risultato che “frammenti di collisione si scontreranno con frammenti di collisione, fino a quando l’intera popolazione non sarà ridotta a dimensioni subcritiche”. Un danno per l’industria spaziale europea, ci ha spiegato ESA, che nell’orbita terrestre bassa “rischia di perdere 1,5 miliardi per la congestione dell’orbita LEO, ad esempio, a causa dell’aumento del rischio di collisioni fatali e interruzioni del servizio dovute a collisioni e movimenti di detriti”.

Space junk intorno alla Terra © Studio Roosegaarde via ESA

CLEAN SPACE

Accanto alla riduzione dell’inquinamento spaziale, c’è la necessità di trovare soluzioni per ripulire lo spazio dai rifiuti esistenti. Nel 2012 l’ESA ha, ad esempio, istituito il Clean Space Office e a guidarlo è una donna. È italiana e ha una laurea in Fisica all’Università degli Studi di Milano con una tesi sul comportamento dei materiali in presenza di microgravità. Lei è la dottoressa Luisa Innocenti, giunta all’ESA giovanissima e dove ha seguito diversi progetti. Da qualche anno si occupa di spazio pulito, clean space.

Le abbiamo allora chiesto quando ha iniziato a dedicarsi a questo problema. “Sono entrata in questo campo con un progetto chiamato EcoSat nel 2009” ci ha raccontato. “All’ESA era stato chiesto quanto inquina una missione spaziale? Per rispondere correttamente alla domanda, abbiamo effettuato la prima valutazione del ciclo di vita di una missione spaziale. Specialisti dello spazio e ambientalisti si sono allora riuniti per sviluppare linee guida adeguate per applicare la metodologia nota come Life Cycle Assessment al settore spaziale, con l’ESA che, per poter sviluppare un solido manuale sull’argomento, ha preso in considerazione sue missioni e suoi lanciatori.

Life cycle assessment applicato al settore spaziale © ESA

Mentre approfondivamo l’applicazione della metodologia LCA al settore spaziale, abbiamo scoperto quanto fosse una sfida per noi, come quando ci siamo chiesti come valutare gli impatti ambientali della fine di una missione spaziale, ciò che dovrebbe considerare questioni come la proliferazione di detriti spaziali, la possibilità di riciclare il veicolo spaziale, eccetera. In quel momento ci siamo resi allora conto delle sfide legate ai detriti spaziali e abbiamo lavorato duramente allo sviluppo di nuove tecnologie per mitigarne la crescita in futuro. Ciò significava, da un lato, la pulizia dei detriti esistenti e, dall’altro, l’arresto della produzione di detriti. Ecco perché abbiamo avviato due progetti in parallelo: Cleansat per la progettazione di futuri satelliti conformi ai ‘requisiti di mitigazione dei detriti spaziali’ esistenti e In-Orbit servicing and debris removal per la rimozione di detriti e manutezione in orbita con il lancio di un veicolo per la pulizia dei detriti spaziali esistenti”.

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Clean Space

Progetto Clean Space ESA per missioni spaziali pulite e rimozione dei detriti esistenti dalle orbite intorno alla Terra

Intanto dal 30 marzo al 3 aprile a Berlino in occasione dei Clean Space Industrial Days 2020 si parlerà di eco design per lo spazio per l’integrazione della sostenibilità ambientale nella progettazione delle missioni spaziali, nonché di mitigazione dei detriti spaziali per lo sviluppo di tecnologie per prevenire la creazione di detriti futuri, di assistenza in orbita e rimozione dei detriti, di operazioni a distanza ravvicinata, di design per la rimozione dei detriti, infine di produzione, assemblaggio e riciclo in orbita.

Clean Space esempio di infografica © ESA

A CACCIA DI SPACE JUNK

Per il recupero, ad esempio, dei satelliti in disuso e detriti si è pensato a diverse soluzioni da speciali debris remover a semplici veicoli spaziali con braccio meccanico.

Clean Space missione e.Deorbit © ESA/David Ducros

E anche a grosse reti. L’idea delle reti è venuta pensando ai pescatori. “Serve una rete molto grande” spiegava tempo fa a Euronews la professoressa Michèle Lavagna, docente di Dinamiche del Volo al Politecnico di Milano. “Poi dobbiamo restare a una certa distanza dai detriti e dai satelliti che si muovono in maniera imprevedibile, non serve avvicinarsi troppo. Quindi non ci resta che prendere la mira e lanciare la rete per catturare il nostro oggetto spaziale. Sarà il movimento stesso del satellite a far sì che la rete lo avvolga completamente. A questo punto saremo in grado di spostarlo dove vogliamo nello spazio, così come fanno i pescatori con i pesci”.

Esempio di cattura di spazzatura spaziale con reti © SLDinfo.com

UN’ASPIRAPOLVERE PER LO SPAZIO

Il sogno della cattura dei detriti ha conquistato anche i giovani e futuri scienziati come la vicentina Alessia Gloder che nel 2016, studentessa magistrale di Ingegneria Aerospaziale, è stata selezionata con altri quattro studenti dell’Università degli Studi di Padova per partecipare a Drop Your Thesis!, un programma promosso dall’ESA per consentire a team di studenti provenienti da tutta l’Europa di testare un’idea originale in condizioni di gravità ridotta all’interno della Fallturm Bremen, la torre di caduta di Brema, in Germania.

Il team del progetto STAR, da sinistra a destra Leonardo Pellegrina, Mattia Pezzato, Gilberto Grassi, Alvise Rossi, Alessia Gloder © Close-up Engineering Network

L’anno dopo, ospite a TED^x Vincenza ha parlato del progetto STAR acrònimo di Space Tether Automatic Retrieval, che l’ha vista protagonista in team con Leonardo Pellegrina, Gilberto Grassi, Alvise Rossi e Mattia Pezzato per la creazione di un’aspirapolvere spaziale, un “meccanismo innovativo” per il recupero, oggi diventato di assoluta priorità, dei tanti detriti che orbitano intorno alla Terra.