Alan Bean (Wheeler, Texas, 1932 - Houston, 2018, Artist and Moonwalker) - Apollo 8 Homeward Bound (1994)

2024, prima base umana sulla Luna

di Vincenzo Rampolla

I primi passi

Il 21 luglio 1969, 50 anni fa, l’uomo era sulla Luna. Lo sbarco di 2 astronauti della missione Apollo 11 rappresentava l’apice di una corsa per calpestarla e toccarla, gara umana di potere, di scienza e tecnologica. La sfida per arrivarci e le relative missioni, alternatesi tra Usa e Urss era iniziata molto prima. È continuata in seguito. Dopo decenni di silenzio, oggi sembra riattizzarsi, meno umana, più economica e di prestigio. I dati Nasa danno un totale di 109 missioni. La prima, nel 1958, tutta stelle e strisce, l’ultima a febbraio 2020, israeliana. Fallita, senza disonore. La leadership spetta all’ex Urss, con 50 voli, l’ultimo nel 1976, contro i 47 Usa. Da poco altri attori sono entrati nel circolo: UE 1 volo, India 1, Israele 1, Giappone 2 e Cina 7. Nel tempo, in particolare: 7 Usa, anni ’50; 30 Usa/Urss, anni ’60; 13 Usa/Urss prima metà anni ’70. Nessun viaggio anni ’80; 3, anni ’90; 6, anni 2000 con l’ingresso di nuovi smaniosi. Negli anni 2010, 9 spedizioni, di cui 6 cinesi. E la Cina, nuova potenza globale, sembra il Paese più interessato al satellite. Pechino è salito al terzo posto nella graduatoria con 7 missioni, il triplo rispetto agli Usa. Alla Cina anche la medaglia del primo rover dai tempi dell’Urss e del primo allunaggio sull’emisfero nascosto.

La stazione orbitale Artemis

Il 22 ottobre 2020 La Nasa (National Aeronautics and Space Administration) ha ripreso l’allenamento. Si prepara alla prima missione operativa sull’ISS (International Space Station) della capsula Crew Dragon con 4 astronauti, effettuata il 15 novembre. Proseguono intanto i lavori sulla missione Artemis e sul complesso piano di allunaggio, il cui primo volo di ritorno sulla Luna sarà l'inizio di una strategia molto ambiziosa: la Luna ponte per l'esplorazione del Sistema Solare, obiettivo a lungo termine perseguito con forte determinazione. Non intende farlo da sola e ha siglato un accordo storico con JAXA (Japan Exploration Space Agency), CSA (Canadian Space Agency) e ESA (European Space Agency). Silenzio di Roscosmos (Agenzia Spaziale Russa) agli inviti Usa, dopo la recente riunione di 17 Agenzie Spaziali del pianeta. La cooperazione consentirà all'ESA di inviare astronauti e di contribuire alla nascita della stazione orbitale Artemis Gateway, dopo la cancellazione per pandemia del progetto Luna Gateway. Oltre a fornire l'hardware, l'ESA sarà responsabile delle operazioni di assemblaggio degli elementi e della costruzione di Orion Crew Module e Orion Service Module, due ESM (European Service Modules), moduli di servizio europei aggiuntivi su Orion, sonda spaziale che la Nasa utilizzerà nelle future missioni Artemis. Orion fornirà all’equipaggio aria, acqua e alimenti e ospiterà un equipaggio di 6 persone fino a 21 giorni in modalità sganciato e fino a 6 mesi se attraccato. Alla costruzione parteciperanno aziende terze secondo un accordo di $187 milioni siglato con Northrup Grumman [colosso aerospaziale americano, 90.000 dipendenti, fatturato $31 miliardi] per i moduli abitativi dell'equipaggio e con il Giappone per la fornitura di altre tecnologie e dei punti di attracco per sistemi di atterraggio. Il Giappone sta già valutando un nuovo rover lunare pressurizzato da lanciare sulla Luna nel 2029.

Artemis Gateway sarà assemblata in orbita attorno alla Luna come piattaforma di sosta e per missioni su Luna, Marte e per altre destinazioni nello spazio. La Nasa punta a riportare l'uomo sulla Luna entro il 2024, nonostante i dubbi degli esperti sulla fattibilità dell’impresa in un arco di tempo così ridotto e sulla capacità di organizzare l’intera costruzione del primo insediamento permanente. Il modulo di logistica e abitazione del Gateway si chiamerà HALO (Habitation and Logistics Outpost), spazio pressurizzato grande quanto un monolocale, ove alloggerà gli astronauti in attesa di una missione. Il design di HALO ricalcherà il veicolo spaziale Cygnus, che dal 2014 ha effettuato missioni di carico robotizzate per la Stazione Spaziale Internazionale. La Nasa vuole raggiungere la piena operatività in 4 anni e stabilire una presenza vivibile dell'uomo sulla Luna entro il 2028. In effetti, l'attuale piano prevede di portare in orbita lunare entro il 2023 i primi 2 elementi: cabina HALO e propulsione, costruiti da Maxar Technologies [Colorado, 4.400 dipendenti, fatturato 820 M$]. La capsula Orion e l’SLS (Space Launch System) della Nasa, tuttora fermi alle prime simulazioni di lancio e lontani dai test reali, saranno elementi essenziali per la piena operatività di Artemis Gateway. Almeno 9 le missioni Artemis, di cui 6 dopo l'allunaggio, secondo il piano: Artemis I, Novembre 2021, durata 25 Giorni; Artemis II, Agosto 2023, 10 giorni; Artemis III, ottobre 2024, 30 giorni. Successivamente le missioni da IV a IX saranno annuali, dal 2025 al 2030, tutte di durata 30 giorni, eccetto le ultime due, ognuna di 60 giorni.

Artemis I in particolare sarà il primo volo dell’accoppiamento SLS con la sonda Orion.

Artemis II, sarà per il primo volo di ricognizione con equipaggio attorno al satellite; dovrebbe eseguire il primo test dei controlli manuali di Orion, necessari alla raccolta dei dati necessari per i calcoli delle manovre di allunaggio e sarà anche la missione di prova con equipaggio, eseguita in sorvolo lunare con ritorno sulla Terra. Prima del lancio di Artemis II sono stati eseguiti 15 test della sonda Orion. L’ultimo il 2 luglio 2019, con verifica di un sistema di arresto del lancio con massimo carico aerodinamico.

Artemis III sbarco sulla Luna di 3 astronauti e della prima donna. Il sistema di lancio orbitale SLS è previsto che diventi il più potente razzo della Nasa, progettato per l'esplorazione oltre l'orbita terrestre inferiore; nessun dettaglio al momento sul suo costo, stimato 49,5 M$, con contratto fino a dicembre 2030. Operativa da dicembre 2007, investimenti e costi di Artemis Gateway cumulati con quelli del periodo 2020-2024, sono di $35 miliardi.

Gli insediamenti umani sulla Luna

Quando si parla delle possibili basi umane sulla Luna o su Marte, si immaginano costruzioni con geometrie avveniristiche, da fantascienza, tipiche dei film, in genere in superficie. Secondo una ricerca su Earth Science Reviews, gli insediamenti potrebbero essere sotterranei, nei tunnel lavici o all'interno di grotte formate dall’erosione della lava. Ricercatori delle Università di Bologna e Padova hanno ribaltato le prospettive dell’immaginario comune, confrontando una serie di tunnel lavici sulla Terra con foto delle corrispondenti realtà lunari e marziane. A causa delle diverse condizioni di gravità e delle relative conseguenze del vulcanismo, i tunnel marziani e lunari sarebbero rispettivamente 100 e 1.000 volte più larghi di quelli terrestri, di diametro 10 - 30 m e lunghezza di almeno 40 km. I tunnel lavici paiono eccezionali strutture sia per l'esplorazione del sottosuolo che per il potenziale insediamento umano in ambienti protetti. La ridotta gravità lunare, la loro naturale solidità, la copertura dagli impatti dei micro meteoriti, la protezione dalla radiazione cosmica e solare, la garanzia di temperature interne relativamente costanti e un accesso protetto, causato da asteroidi che ne hanno trapassato le pareti, sono le condizioni per accedere a enormi cavità sotterranee: spazi ideali per depositi, alloggiamento e esperimenti.

In previsione della prima missione su Marte, la Nasa ha scelto il Polo sud lunare per installare nel pianoro del cratere Shackleton l’ABC (Artemis Base Camp). Sono previsti 3 dotazioni essenziali: l’LTV (Lunar Transport Vehicle) speciale veicolo per gli spostamenti locali, l’HMP (Habitable Mobility Platform) sorta di camper per esplorazioni e perlustrazioni di lunga durata, lontane dal campo base e l’SH (Surface Habitat), vero alloggiamento stabile e permanente per i 4 astronauti dell’equipaggio. Dotato di alimentazione elettrica, impianti di comunicazione, schermi di protezione da radiazioni, servizi igienici, impianti per smaltimento rifiuti, magazzino viveri, depositi materiali e apparecchiature scientifiche, è il tipo di abitazione con caratteristiche di modularità e idoneità a semplici modifiche, secondo la durata delle missioni, stimate da 7 - 30/45 giorni a 60-90. La Nasa vede l’addestramento di squadre di astronauti di 4 persone, con turni alternativi di coppie a riposo e coppie in missione di esplorazione. È richiesta una fase preparatoria di test dell’ambiente atmosferico e geologico, di ricerca dell’acqua e della zona di allunaggio, affidata a lander e robot. È vitale la valutazione dei rischi di ogni tipo e grado, in condizioni di prolungata attività extra-terrestre.

E l’acqua?

Nelle 74 pagine del programma Artemis, la Nasa batte con insistenza sul fatto che la presenza sulla Luna sia una sorta di passaggio intermedio per esplorazioni più profonde del Sistema Solare. Si tratta di progetti a lungo termine che inizieranno con l'allunaggio del 2024 e continueranno con la costruzione della base orbitale Artemis Gateway. Quando andare sulla Luna sarà diventata un’abitudine, si punterà a realizzare una vera e propria base lunare e nell'arco di qualche decennio le missioni di esplorazione dello spazio potranno partire direttamente dalla Luna, con enormi vantaggi in termini energetici e economici. Basta calcolare l'energia necessaria a portare un razzo fuori dall'orbita terrestre e sapere che sulla Luna si ha una gravità circa 1/6 di quella terrestre: operazione molto meno dispendiosa, in termini di ossigeno liquido, combustibile fondamentale per i razzi aerospaziali. Prodotto dall'acqua, si ricava per elettrolisi, successivamente raffreddato e sottoposto a pressione. La tecnologia è disponibile e collaudata. Ricavato dalla regolite, polvere lunare, è una sfida.

Con una nostra struttura possiamo concentrarci sulla produzione di ossigeno, misurandolo con uno spettrometro di massa mentre viene estratto dal simulatore di regolite, commenta un ricercatore dell'Università di Glasgow. Potere acquisire ossigeno dalle risorse trovate sulla Luna sarebbe ovviamente estremamente utile per i futuri coloni lunari, sia per la respirazione che per la produzione locale di carburante per missili. In assenza di regolite lunare, si sono preparate polveri simili, combinando opportunamente polveri raccolte in siti dei deserti di Nevada e Colorado. Allo scopo l'ESA ha messo a punto un prototipo nel centro dei suoi laboratori europei (Noordwijk, Olanda). I ricercatori sfruttano un metodo sviluppato dalla società britannica Metalysis per estrarre l'ossigeno della regolite: l'elettrolisi del sale fuso. La regolite viene messa in un contenitore metallico con sale di cloruro di calcio che funge da elettrolita, riscaldato a 950°C; a questa temperatura la regolite resta solida e se è percorsa da una corrente avviene l’estrazione dell'ossigeno che migra attraverso il sale per essere raccolto. Nei campioni lunari la regolite è al 40-45% composta da ossigeno, ma è legata chimicamente ad altri elementi, secondo la composizione del terreno dove viene raccolta. Per questo l’ossigeno prodotto non è subito utilizzabile e l'impianto è stato man mano riprogettato per non disperderlo e conservarlo in bombole. Resta da valutare l'efficienza del sistema e l'attuabilità sul suolo lunare. Come sottoprodotto, questo processo converte la regolite in leghe metalliche utilizzabili. C’è già chi pensa alla combinazione di metalli ottenuti o selezionati, stampabile direttamente in 3D. Dipenderà dal sito lunare, con obiettivo finale progettare un impianto pilota funzionante in modo sostenibile sulla Luna, prima dimostrazione tecnologica prevista per il 2025. È importante anche la produzione di idrogeno, combustibile liquido nelle reazioni termonucleari nonché riserva energetica nelle pile a combustibile. Sono allo studio strumenti sanitari per creare ossigeno respirabile. L'acqua lunare estratta dal ghiaccio dovrà infine subire un trattamento per diventare potabile. Potrà risultare leggermente salata se prelevata da regioni in cui il processo di sublimazione abbia favorito la concentrazione di sali. Se poi derivasse da asteroidi, potrebbe contenere altri componenti, ora non ipotizzabili.

L’acqua è la priorità massima. Tutto è febbrilmente allo studio.

(consultazione: hdnetwork.it; hdblog.it; scienze - r.mastrlonardo; nasa’s lunar exploration program overview- sept.2020; earth science reviews)