Attualmente l’accesso allo spazio può avvenire solo mediante motori a razzo, che sfruttano la combustione come fonte principale di energia. In diverse categorie di lanciatori, tra i quali gli Europei VEGA e Ariane V, si fa largo uso di motori a propellente solido come sistemi di propulsione durante le prime fasi del volo. In un tipico lancio di Ariane V si utilizzano 2 motori contenenti ciascuno circa 240 t di propellente solido. Il propellente solido utilizzato nei lanciatori spaziali è una combinazione di polveri ossidanti e combustibili, connesse da una plastica che ne conferisce un aspetto gommoso. La tecnologia attuale prevede l’utilizzo di alluminio in polvere come combustibile, perclorato di ammonio come ossidante e un poliuretano come plastica legante. L’utilizzo di questa categoria di propellenti ha una ripercussione ambientale che coinvolge anche la filiera di produzione. Durante ogni lancio la combustione del perclorato di ammonio libera nell’atmosfera acido cloridrico. Si stima che per ogni lancio di Ariane V ne vengano rilasciate circa 270 t, che causano inquinamento locale delle falde, piogge acide e possono interagire con l’ozono dell’atmosfera mediante complessi processi chimici. Obiettivo del progetto In una prospettiva di mitigazione dell’impatto ambientale, è importante evolvere la tecnologia dei propellenti solidi verso una riduzione dell’inquinamento prodotto, con un’ottica sull’impronta globale del processo, dalla produzione degli ingredienti all’utilizzo nella missione di lancio. Questa visione di lungo termine si ispira a quanto ESA porta avanti con il grande progetto “Clean Space” ed è particolarmente ambiziosa in quanto propone una modifica sostanziale delle tecnologie attualmente utilizzate nei lanciatori, e consolidate da decine di anni.

Il progetto europeo GRAIL (Green Advanced High Energy Propellants for Launchers), partendo dalla base della piramide di sviluppo tecnologico, prevede lo sparo di motori a razzo dimostratori della fattibilità di una nuova generazione di propellenti a ridotto impatto ambientale per l’accesso allo spazio. Il team di ricerca internazionale di GRAIL mira ad evolvere le attuali formulazioni con l’utilizzo di ingredienti che riducano l’emissione di acido cloridrico durante l’intera vita del motore.

Con un finanziamento di 3,1 milioni di euro dalla Comunità Europea nell’ambito del Programma Horizon 2020, il consorzio del progetto comprende istituti e aziende da Svezia, Francia, Germania e Italia. Il coordinamento è in capo al Swedish Defence Research Agency (FOI), mentre per l’Italia partecipano il Politecnico di Milano e Avio. Il gruppo del Politecnico di Milano coinvolto nel progetto è SPLab, il Laboratorio di Propulsione Aerospaziale del Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali che da più di 40 anni si occupa di propulsione spaziale, di combustione nei motori a razzo, e di propellenti per lo spazio.

Testo redatto su fonte Politecnico di Milano del 13 ottobre 2017
Per approfondimenti: SPLab – Clean Space
Image credit: ESA-David Ducros, 2016

L’8 aprile è stata lanciata la capsula Dragon, a bordo della quale si trova BEAM (Bigelow Expandable Activity Module), il primo modulo abitativo gonfiabile. Il lancio è avvenuto dalla base di Cape Canaveral (Florida, USA) con il razzo Falcon 9 costruito, come Dragon, dall’azienda privata SpaceX. Realizzato della società statunitense Bigelow Aerospace, BEAM è un dimostratore tecnologico che sarà agganciato al Nodo 3 (Tranquility) della International Space Station (ISS) tramite il braccio robotico Canadarm. Da chiuso è un cilindro di appena 2,16 m di lato pesante poco meno di 1,5 tonnellata. Una volta dispiegato, attraverso una sequenza automatica, offrirà un volume abitabile di 16 m3.
BEAM resterà agganciato alla ISS per 2 anni, durante i quali saranno monitorati pressione, temperatura, radiazioni e l’effetto di eventuali impatti con micrometeoriti o detriti. Gli astronauti sperimenteranno la vita al suo interno, anche se per periodi molto brevi: alcune ore, tre o quattro volte all’anno, per recuperare i dati forniti dai sensori che permetteranno di valutare le condizioni della struttura. Una volta concluso il periodo di testing, BEAM verrà sganciato e fatto disintegrare in atmosfera. Leggeri e compatti al lancio e quindi più economici dei moduli tradizionali, gli ambienti espandibili potrebbero rappresentare il futuro dei sistemi abitativi spaziali lunari o marziani.

L’idea di realizzare dei moduli abitativi gonfiabili non è nuova. Più leggeri e meno ingombranti dei moduli rigidi tradizionali, il loro trasporto in orbita risulterebbe di gran lunga più economico. Il primo progetto per una stazione gonfiabile risale agli Anni ‘60, quando la NASA commissionò alla Goodyear Aerospace il concept di una Stazione Spaziale espandibile. Ne fu prodotto anche un prototipo in dimensioni reali: una struttura toroidale di 7 m pensata per ospitare 2 astronauti e che ricordava un copertone gigante, ma che per ragioni di sicurezza non volò mai: l’ampia superficie gommata risultava infatti vulnerabile all’impatto con micrometeoriti.
Nuovamente negli Anni ‘90 la NASA si dedicò alla realizzazione di un modulo gonfiabile per la stazione spaziale con un volume pari quasi al doppio dei moduli abitativi rigidi tradizionali: il TransHab, una struttura ibrida multivello espandibile fino a 8 m che vedeva coinvolta anche l’Italia tramite Alenia spazio. A causa dei ritardi e dell’aumento dei costi legati alla realizzazione della ISS il progetto non vide la luce: i diritti e i progetti vennero acquistati dalla Bigelow Aerospace che nel 2006 e nel 2007 mandò in orbita i primi veicoli abitativi gonfiabili sperimentali: Genesis I e Genesis II basati sul design del TransHab. Entrambi i moduli sono tutt’ora in orbita con l’obiettivo di testare sul lungo periodo sistemi e materiali e verificare la vita operativa dei veicoli.

Nel luglio scorso la Bigelow Aerospace ha sottoscritto con la NASA un nuovo contratto per lo sviluppo di BA-330, l’unità spaziale che aspira a diventare il primo modulo gonfiabile completamente autosufficiente, una sorta di stazione spaziale compatta. Con un volume utilizzabile di 330 m3, una lunghezza di 17,3 m ed una vita utile di 20 anni, BA-330 sarà in grado di ospitare fino a 6 astronauti per lo svolgimento di attività di ricerca in missioni scientifiche, processi di fabbricazione e anche per fini commerciali nel settore del turismo spaziale.

Testo redatto su fonte ASI dell’1 aprile 2016
Per approfondimenti su BEAM: bigelowaerospace.com/beam
Image credit: Bigelow Aerospace, LLC

Il 14 marzo 2016 è iniziata ExoMars 2016, la missione dell’European Space Agency (ESA) a guida scientifica e tecnologica italiana, realizzata in collaborazione con l’agenzia spaziale russa Roscosmos. Il lancio è avvenuto con il lift-off del lanciatore russo Proton-M dal cosmodromo di Baikonour (Kazakhstan). Dopo l’acquisizione del segnale da parte della base a Malindi (Kenya) dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), il viaggio della sonda ha ora davanti a sé circa 500 milioni di km da percorrere prima di arrivare su Marte tra sette mesi, il prossimo 19 ottobre.
Quella appena iniziata fa parte della più ampia ExoMars, una missione di esplorazione robotica concepita e realizzata con l’obiettivo principale di acquisire e dimostrare la capacità dell’Europa di eseguire un atterraggio controllato sulla superficie marziana, operare sul suolo marziano in mobilità di superficie, accedere al sottosuolo per prelevarne campioni e analizzarli in situ. Nello specifico, la missione indagherà le tracce di vita passata e presente su Marte, la caratterizzazione geochimica del pianeta, la conoscenza dell’ambiente marziano e dei suoi aspetti geofisici e l’identificazione dei possibili rischi per le future missioni umane. ExoMars si svolgerà in due fasi:
– con ExoMars 2016 (inizio a marzo 2016) la sonda Trace Gas Orbiter (TGO) resterà nell’orbita di Marte per indagare la presenza di metano e altri gas presenti nell’atmosfera, possibili indizi di una presenza di vita attiva, mentre l’Entry, Descent and Landing Module Demonstrator Module (EDM), denominato Schiaparelli, contenente la stazione meteo (DREAMS) ed altri strumenti, atterrerà sulla superficie marziana;
– con ExoMars 2018 (inizio a maggio 2018) verrà portato sul Pianeta Rosso ExoMars Rover, un sofisticato rover capace di muoversi e dotato di strumenti per penetrarne ed analizzarne il suolo.

Il primo step importante che la missione dovrà affrontare sarà il check di tutta la strumentazione del TGO e dell’EDM: operazioni previste per la seconda settimana di aprile. Successivamente, tra luglio e agosto, verranno effettuate una serie di manovre per correggere la traiettoria della sonda: il “big burn” (ovvero la massima accensione dei motori in vista dell’arrivo su Marte) è fissato per il 28 luglio. A settembre, poi, si entrerà nel vivo della missione con i test di navigazione, mentre il 9 ottobre inizierà il controllo da parte del team della missione 24 ore su 24 in attesa della separazione di Schiaparelli una settimana dopo.
Il 17 ottobre il TGO inizierà dunque ad allontanarsi in vista del momento previsto per l’atterraggio del lander. Schiaparelli: protetto da uno scudo termico in grado di resistere a temperature fino a 6.000 gradi, l’EDM scenderà ad una velocità stimata di 25.000 km/h per poi essere frenato durante la fase di entrata nell’atmosfera. A partire da dicembre ci saranno alcune importanti manovre riguardanti il TGO che culmineranno il 17 gennaio con il cambio dell’inclinazione dell’orbita.
L’orbiter sarà impegnato fino a novembre del 2017 nelle operazioni di frenata e rallentamento che modificheranno la sua orbita da ellittica a circolare: si fermerà solo l’11 luglio per un mese a causa della posizione del Sole che non favorirà le comunicazioni tra Terra e Marte. A dicembre TGO inizierà la complessa fase di elaborazione dei dati per preparare al meglio la missione ExoMars 2018: l’orbiter continuerà a fornire informazioni per la seconda fase della missione europea su Marte fino al 2022.

L’ESA ha assegnato all’industria italiana la leadership principale di entrambe le missioni; oltre alla responsabilità complessiva di sistema di tutti gli elementi, è sempre italiana la responsabilità diretta dello sviluppo dell’EDM, del trapano (Drill) dell’ExoMars Rover che preleverà campioni di terreno marziano spingendosi fino a 2 m di profondità durante la missione ExoMars 2018 e del Rover Operation Control Center (ROCC), il centro di controllo da cui il Rover verrà operato.
Per quanto riguarda il contributo scientifico dell’Italia, sono 4 gli strumenti selezionati dall’ESA:
– DREAMS (Dust Characterisation, Risk Assessment, and Environment Analyser on the Martian Surface): suite di sensori per la misura dei parametri meteorologici (pressione, temperatura, umidità, velocità e direzione del vento, radiazione solare) e del campo elettrico atmosferico in prossimità della superficie di Marte. Esso avrà la possibilità di studiare le condizioni ambientali sul pianeta nel periodo, particolarmente interessante, in cui si prevede una forte presenza di polveri nell’atmosfera;
– AMELIA (Atmospheric Mars Entry and Landing Investigation and Analysis): strumento per la modellistica dell’atmosfera marziana che utilizzerà i dati raccolti dai sensori durante la discesa del lander Schiaparelli sulla superficie marziana;
– MA_MISS (MArs Multispectral Imager for Subsurface Studies): spettrometro per l’analisi dell’evoluzione geologica e biologica del sottosuolo marziano, inserito all’interno del Drill, che consentirà di analizzare la conformazione della superficie interna della perforazione effettuata dal Drill stesso;
– INRRI (INstrument for landing-Roving laser Retroreflector Investigations): microriflettore laser sviluppato dall’ASI e dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).

Testo redatto su fonte ASI del 15 marzo 2016
Per approfondimenti sulla missione ExoMars: exploration.esa.int/mars
Image credit: ESA–D. Ducros, 2014