Immagine realizzata con strumenti di Intelligenza Artificiale
Clicca qui per ascoltare
Viaggio Terra-Marte, ritorno inattuabile al momento
di Vincenzo Rampolla
Partire, sì. Tornare impossibile. Ma Elon Musk non giura che il viaggio si fa?
Irrealizzabile oggi. Sicuro e garantito. Non si discute.
Una piccola sonda senza equipaggio potrebbe eseguire una missione su Marte: lasciare la Terra, atterrare su Marte e portare a casa un sacchetto di rocce e terriccio. Non è lo scopo del viaggio. Se pensassi di cavarmela con un solo lancio incapperei in mille problemi o dovrei accontentarmi di un’esplorazione. Come quella su Giove effettuata dalla sonda Cassini e dal telescopio Hubble oppure quella del 1989 - 1995 compiuta dalla sonda Galileo, con un viaggetto di 6 anni. Risultato? Polveri negli anelli del pianeta, residuo di un precedente aggregato di piccoli frammenti vaganti nei pressi di Giove, distrutti da reciproche collisioni e dalle forze di marea del pianeta madre. Si fa allora un’esplorazione in profondità? Sì, ma sempre esplorazione. Nulla di più. Non ci siamo. Le polveri di Marte non mi interessano. Ci hanno già pensato le missioni di Curiosity e Perseverance, a dicembre 2024. I lander non hanno bighellonato per 56 m, raccogliendo rocce e tracciando percorsi? Sì, ma oggi si punta in alto, missione con equipaggio. E come? Con un singolo lancio?
Impossibile, irrealizzabile. Inutile insistere.
Due ossessioni mi obbligano a rivedere i conti: i viaggi, soprattutto il ritorno e l’ambiente del pianeta.
Per orientarmi ripesco alcuni dati sul pianeta rosso. Le diverse orbite ellittiche di Terra e Marte attorno al Sole e la massiccia forza esercitata dal campo gravitazionale di Giove causano tra i pianeti distanze molto variabili, mediamente 254 Mkm, con un minimo di 55,7 Mkm e il massimo di 401 Mkm. Capita a proposito l’opposizione, ogni 2 anni, con Marte e Terra al massimo avvicinamento, periodo astronomico sfruttato dalle Agenzie spaziali per inviare veicoli su Marte.
Torniamo ai dati. La gravità sulla Terra è di 9,8 m/s² con velocità di fuga di 2,3 km/s, cioè la minima velocità di un oggetto sulla superficie del pianeta necessaria per vincere la gravità e partire a navigare nell’Etere. Su Marte gravità di 3,7 m/s², circa 1/3 di quella terrestre e velocità di fuga di 5,0 km/sec, quasi il doppio. Facilità, quindi, a lasciare Marte, ma per ripartire, energia doppia di quella di andata.
Temperature medie superficiali tra −120 °C e −14 °C e Marte tra i pianeti del sistema solare resta il più simile alla Terra.
L’andata e il ritorno. Marte dista solo 55 Mkm e le navicelle viaggiano a più di 20.000 km/h, quasi 46 Mach e calcolo che la navicella faccia il viaggio in più o meno 115 giorni. Errato, ci vuole molto di più, Terra e Marte orbitano intorno al Sole. Non si può puntare direttamente su Marte e iniziare a lanciare i razzi, perché nell’istante in cui arrivano, Marte ha viaggiato. Per questo i veicoli spaziali vanno puntati da Terra esattamente dove Marte si troverà. È solo questione di calcolo e di mira. Dall’esperienza delle missioni su Marte dal 1976 al 2012, la durata dei viaggi di Curiosity è stata in media di 253 giorni (8,4 mesi) mentre la durata per Viking2 è stata di 360 giorni (12 mesi).
Sarebbe una passeggiata, un gioco in termini astronomici ma è assurdamente lungo, mai affrontato da un essere vivente (per quanto ne sappia). Un astronauta in viaggio nello spazio per mesi e a gravità ridotta affronterebbe una missione ad alto rischio, votata alla morte. Oltre i mesi di volo, per rendere possibile e economico il viaggio, la NASA ipotizza che la base di partenza e di rientro non sia sulla Terra, ma sulla Luna, dopo averla colonizzata con una vera base spaziale, efficiente e provata. Si ridurrebbe drasticamente il problema di distacco dalla Terra, a scapito dei lanci necessari per edificarla. Arrivati su Marte, la nave madre, assemblata sulla Luna, rimarrebbe in orbita e il carico-scarico sul pianeta sarebbe affidato a traghetti Luna-Marte. Qual è il budget per assicurare la permanenza umana sul pianeta rosso e proteggersi dalle radiazioni? Le conosco bene. Siamo agli inizi dell'esplorazione spaziale e gli effetti a lungo termine dell'esposizione alle radiazioni è tutta da valutare, per l'andata e il ritorno.
Marte ha un’atmosfera, molto rarefatta. La sua densità varia con sbalzi molto forti, talvolta è densa e frena la navicella o addirittura la carbonizza, altre volte è troppo calda e diffusa, tale da rallentare a fatica la navicella. Per questo gli atterraggi motorizzati sono attualmente la soluzione preferita, sebbene debbano essere interamente automatizzati dal ritardo di 3,05 minuti della velocità della luce nel tragitto Marte - Terra. Per capire. Un fascio di energia solare impiega poco più di 8 minuti per arrivare sulla Terra e in quel lasso di tempo, che ne è del Sole? L’atmosfera è utile per rallentare la navetta in caduta libera, ma non è densa al punto da far funzionare correttamente i paracaduti del landing o facilitare un vettore carico di carburante, reale super petroliera in fase di atterraggio. La potenza del razzo deve essere molto elevata per l’atterraggio assistito, carico della notevole massa di carburante per il ritorno, da sommarsi a quello per l’andata. Si aggiunga uno scudo termico di elevato peso, ulteriore predatore di carico utile. Emerge chiaramente che il rientro sulla Terra da Marte è complesso e un unico viaggio andata-ritorno è oggi praticamente impossibile.
La navicella a propulsione nucleare è una soluzione realistica, immaginata da Carlo Rubbia, con il vantaggio di non avere il problema della gravità terrestre, evitando un'altra Cernobyl e riducendo notevolmente l’esposizione degli astronauti a radiazioni. I raggi cosmici di fondo sparano una costante raffica di radiazioni che induce tumori, ma c’è un elevato rischio di massicce tempeste solari che in poche ore potrebbero falciare gli astronauti non protetti. Avventura ipotetica e vincolata da molti lanci. L’idea nucleare prevede razzi con un reattore nucleare che riscalda un fluido a temperature elevate, H₂ ad esempio, e per creare la spinta lo fanno esplodere ad alta velocità da un ugello del razzo. I combustibili nucleari sono molto più densi di energia dei razzi chimici e producono una maggiore velocità di spinta con meno combustibile. Un razzo nucleare potrebbe contrarre il tempo di viaggio fino a 7 mesi.
L’alternativa sarebbe: montare una raffineria, avere un razzo vuoto, riempirlo con carburante extra terrestre, inviare un razzo di sola andata con gli astronauti, far atterrare gli astronauti, lasciare l’astronave, riempire il razzo vuoto e filare a casa. Fattibile, difficile, fantasioso e complesso.
L’assillo degli ingegneri è: portare una navicella su Marte con la minor quantità di carburante, ovvero ridurre al minimo i costi di lancio del razzo.
I tecnici NASA studiano anche il metodo di viaggio METO (Minimum Energy Transfer Orbit) proposto nel 1925 da W.Hohmann: non puntare il vettore direttamente su Marte, ma aumentare la sua orbita in modo che segua un’orbita più grande intorno al Sole rispetto alla Terra; quell’orbita intersecherà l’orbita di Marte nel preciso momento in cui anche Marte passerà da quelle parti. In due parole: lanciare con meno carburante, impiegare più tempo aumentando l’orbita, allungare il tempo di viaggio per Marte. Soluzione assurda e datata: a me interessa ridurre il tempo di viaggio!
Un’altra proposta è una tecnologia VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket). Si tratta di un propulsore elettromagnetico che usa onde radio per ionizzare e riscaldare un propellente. Questo crea un gas ionizzato (plasma) che viene emesso magneticamente ad alta velocità dal retro del veicolo spaziale. L’ex astronauta F. Chang-Diaz, pioniere della tecnologia, vorrebbe installarlo sulla SSI (Stazione Spaziale Internazionale) per mantenere la sua altitudine sopra la Terra. Potrebbe ridurre il tempo di viaggio a 5 mesi.
Proposta estrema è l’impiego di un razzo per antimateria. Creata negli acceleratori di particelle, l’antimateria è il carburante più denso che si possa usare. Quando atomi di materia incontrano atomi di antimateria, si trasformano in energia pura, come previsto dall’equazione E = mc². Solo 10 mg di antimateria sarebbero sufficienti per compiere una missione su Marte in 45 giorni. Costo di produzione dell’infinitesima quantità di antimateria: $250 M. Una ulteriore ricerca prevede razzi chimici già usati nella missione MAV della NASA nel 2013 e nelle missioni ExoMars dell’ESA.
Il piano attuale prevede l'invio di un veicolo con un carico di metano liquido e dotato di un impianto chimico per fabbricare O₂ liquido dall'atmosfera marziana. Il processo dovrebbe durare 1-2 anni. Quando i serbatoi del MAV saranno pieni, l'equipaggio sarà inviato su Marte, sicuri di trovarvi un veicolo con il pieno in grado di farli tornare.
Due parole sul vettore di lancio. Per lanciare il vettore servirebbe qualcosa della stessa potenza di Saturn V, visto che ci ha portati sulla Luna. E per il ritorno? In un unico viaggio andata-ritorno su Marte, dovrebbe essere adatto a trasportare l’intero carico utile. Sì, ma dovrei portarmi dietro un secondo razzo. Marte ha una gravità di 1/3 rispetto a quella della Terra e una debole atmosfera, che mi faciliterebbero il rientro usando un razzo più piccolo del Saturn V. Invece il viaggio di ritorno si complica con l’obbligo del secondo razzo, oppure di un unico nuovo razzo gigantesco, molto più grande del Saturn V e di qualsiasi vettore mai concepito e non alimentato con energia nucleare o science fiction. Fallirebbe anche il Paris VII che non potrebbe contenere il carburante richiesto. Avrebbe bisogno di almeno 4 serbatoi per raggiungere lo spazio interplanetario (vedi foto). Ritorno all’idea della petroliera, creo una super cisterna e immagino che funzioni per portarmi su Marte. Pura fantasia.
Il viaggio. Una volta lanciata, la navicella all’andata viene rallentata dall’attrazione gravitazionale del Sole e arriva in prossimità di Marte con una velocità sufficientemente bassa da consentire l’inserimento in orbita marziana. Al ritorno il Sole non rallenta la navicella, la accelera. Il ritorno da Marte sulla Terra si complica, reso critico e impossibile perché per uscire dal campo gravitazionale marziano occorrerebbe un razzo vettore non di potenza tale da uscire dalla Terra, ma tale, per ora, da impedirne di fatto il trasporto sulla superfice marziana. Nell’ipotesi del piano attuale, il motivo è semplice: il carburante e l’O₂ necessari a lasciare Marte, arrivare vicino alla Terra e frenare la ricaduta aumentano il peso alla partenza di un fattore tale da richiedere un razzo più grande, che a sua volta richiede più carburante e per finire si entra in un ciclo vizioso e finché non sarà disponibile un vettore basato su un altro tipo di energia il viaggio di andata-ritorno su Marte resta una fantasia.
