Una Luna cinese

• 10 luglio 2018

Il 27 Luglio 2018 ci sarà la più lunga eclissi di Luna del secolo (qui un breve articolo della precedente: link). L’occasione ci induce a riflettere sui programmi di ri-conquista del nostro satellite naturale.
Il made in China o anche CE (China Export) nel mondo occidentale di solito comporta un senso di disagio pensando ad un prodotto di scarsa qualità, ma che dire del loro ambizioso programma spaziale? La CNSA (Chinese National Space Agency) è stata la terza agenzia spaziale al mondo, rappresentante un solo paese, in grado di inviare un uomo in maniera: nel 2003 la SHENZHOU-5 5 fu la prima missione cinese con equipaggio (un solo takionauta: Mr. Yang Liwei che completò 14 orbite in poco meno di 24 ore a 330 km di altezza); da allora un’altra dozzina di cinesi ha viaggiato in orbita bassa e la metà di essi (incluse due donne) ha alloggiato per circa tre settimane nella stazione spaziale TIANGONG-1: una versione molto più piccola della ISS (vedi link), dal peso di 8,5 ton con un volume utile di 15 m3 che fu lanciata nel settembre 2011. Si distrusse poi nell’oceano Pacifico nell’aprile 2018 dopo un rientro incontrollato in atmosfera con molto panico fra i non addetti ai lavori. Negli anni in orbita, la CNSA ha effettuato test automatici di rendezvous spaziali e numerosi esperimenti scientifici, anche di monitoraggio ambientale degli oceani: inoltre da due anni è in orbita la TIANGONG-2 che ha ospitato anche due astronauti per oltre un mese nel novembre del 2016. Da allora la stazione è disabitata, ma i programmi scientifici e di rifornimento carburante continuano in automatico: infatti, obiettivo della CNSA è di acquisire esperienza per una base permanente da completarsi nel 2023 con una costruzione modulare assemblata in orbita. Alcuni dei moduli saranno prodotti in Italia grazie sia ad un accordo di collaborazione con l’ASI, che alla nostra vasta esperienza acquisita con l’ISS, dove molti moduli sono progettati e costruiti in Italia (moduli Columbus, Cupola, Leonardo, Raffaello, Donatello,..). La navetta spaziale TIANZHOU (che sarà utilizzata per l’assemblaggio della nuova stazione spaziale) ha già effettuato nel 2017 un lancio dimostrativo totalmente automatico verso la TIANGONG-2. Nei suoi venti anni di vita operativa essa sarà l’avamposto cinese in vista anche della temeraria ri-conquista della Luna.

Proprio su questo punto la tecnologia cinese è oggi all’avanguardia: la prima missione per l'esplorazione selenica è stata la sonda LUNA-1 lanciata dall'Unione Sovietica nel gennaio 1959, che mancò l’inserimento in orbita (che riuscì invece nove mesi dopo alla gemella LUNA-2); gli americani riuscirono a raggiungerla con equipaggio umano con la missione APOLLO 8 nel dicembre 1968 e successivamente ad allunare nel Luglio 1969 con la storica APOLLO 11, seguita da altri cinque sbarchi; negli anni settanta i sovietici terminarono il loro programma con con due rover automatici e tre sonde spaziali, l’ultima delle quali, LUNA-24, riportò sulla Terra 170 g di suolo lunare nell’agosto 1976. In seguito, per decenni l’interesse rimase minimo: l’agenzia spaziale giapponese inviò una sonda nel 1990 e un orbiter nel 2009 (SELENE che rimase in orbita per 21 mesi); quella indiana nello stesso anno restò in orbita lunare per 10 mesi con la missione CHANDRAYANN-1; l’agenzia spaziale europea inviò la sua unica missione lunare SMART-1 nel settembre 2003, raggiungendo l’orbita lunare dopo oltre un anno di viaggio (era alimentata da un innovativo motore a spinta ionica a bassa accelerazione) dove vi rimase fino a settembre 2006 quando fu fatta impattare sulla superficie. La NASA ha fatto voce grossa in capitolo, inviando dopo le APOLLO numerose missioni robotiche in orbita lunare: tra cui il LUNAR PROSPECTOR nel 1998, le due sonde ARTEMIS nel 2007, la LRO nel 2009 (ancora attiva che ha mappato con una risoluzione di 50 cm la superfice lunare per identificare i futuri siti di allunaggio), le due sonde GRAIL nel 2011 e la sonda LADEE nel 2013 (che fu fatta precipitare sul lato nascosto).

Negli ultimi anni, anche la CNSA ha messo a punto il suo programma di esplorazione selenica, noto come programma CHANG’E, che si articola su tre fasi distinte di due missioni robotiche ciascuna: inserimento in orbita, esplorazione in sito e recupero di campioni lunari. In questo momento (Giugno 2018) il programma ha superato la metà dei traguardi avendo già completato i seguenti passi:

1. CHANG’E-1 raggiunse l’orbita lunare nel novembre 2007 e vi rimase per 18 mesi circa inviando a terra 175 GB di dati (mappe dettagliate in HD con indicazioni altimetriche, analisi spettroscopiche del suolo lunare,..).


2. La missione successiva, CHANG’E-2 fu lanciata nell’ottobre 2010 e completò con successo i suoi obiettivi di mappatura superficiale in otto mesi: la sonda era equipaggiata con una strumentazione superiore alla precedente e orbitò a quote inferiori (fino a 15 km dal suolo lunare), ottenendo pertanto una maggiore risoluzione (1 m di dettaglio). Il propellente a bordo permise ai tecnici della CNSA di lasciare l’orbita lunare e inviare la sonda nel punto Lagrangiano L2 del sistema Terra-Sole, fino ad allora raggiunto solo da NASA ed ESA, dove vi rimase per circa sei mesi prima di riaccendere i motori ed effettuare nel dicembre 2012, un fly-by a 3,2 km dell’asteroide 4179-Toutatis (vedi foto): un PHA della famiglia Apollo con un diametro di 2,5 km (vedi link). Tutt’oggi la CHANG’E-2 è operativa e si trova a 300 milioni di km di distanza dalla Terra: i suoi parametri orbitali la riporteranno verso di noi fra circa dieci anni.
   


3. La terza fase (esplorazione) è iniziata con CHANG’E-3 che ha rappresentato un clamoroso successo: i dati topografici delle precedenti missioni, permisero nel dicembre 2013 alla sonda di effettuare un allunaggio controllato sulla Luna 37 anni dopo LUNA-24 e di rilasciare anche un piccolo rover (dal nome YUTU, vedi foto) nel Sinus Iridum, una pianura di lava basaltica nel mare delle piogge. YUTU rimase operativo per 15 mesi, anche se fu in grado di spostarsi sulla superfice lunare solo per un mese circa, resistendo ben 33 notti lunari (una notte lunare dura 14 giorni terrestri) grazie anche al generatore a radio-isotopi (Plutonio-248) installato anche sul lander oggi ancora attivo. Fra gli altri, gli strumenti di bordo includono un radar di profondità per lo studio della crosta lunare e un telescopio RC da 150 mm che lavora nel vicino UV, in grado di riprendere fotografie a lunga esposizione grazie alla rotazione lunare (0,5°/h) che è trenta volte inferiore a quella terrestre.
   


4. La CHANG’E-4 è la missione in corso al momento della scrittura di questo approfondimento: essa è composta da due fasi distinte con l’obiettivo di esplorare in-situ il lato nascosto della Luna, finora mai raggiunto da manufatti aventi a bordo strumentazione scientifica. Per fare ciò la CNSA ha appena inviato nel punto Lagrangiano L2 del sistema Terra-Luna il satellite di comunicazione QUEQIAO (dal peso di 400 kg con un antenna di 4,2 m) che servirà come ponte radio permanente tra lander e centro di controllo. La foto allegata è stata scattata il 15 giu 2018 in posizione L2 da un micro-satellite rilasciato appena giunto a destinazione.
   
   
   Ad una distanza di circa 60'000 km dalla superficie lunare in direzione opposta alla Terra, L2 è un luogo dove la gravità terrestre e lunare si annullano permettendo la visione contemporanea della Terra e dal lato nascosto della Luna: in realtà QUEQIAO percorre un orbita Halo di 14 giorni attorno a L2 con una traiettoria chiusa che permette un notevole risparmio energetico per la combinazione fra forze gravitazionali, di Coriolis e centrifuga. E’ il secondo satellite artificiale ad usare il punto L2 del sistema Terra-Luna (il primo fu la sonda ARTEMIS della NASA, tuttora in orbita lunare). La seconda fase della missione inizierà a fine 2018 quando sarà inviato un lander, avente a bordo un rover simile al precedente, che tenterà l’allunaggio nel bacino polo sud-Aitken: si trova a sud dell’equatore lunare sul lato nascosto ed è uno dei bacini di impatto più vecchi e più grandi del sistema solare (2500 km di diametro e 13 km di profondità). La missione prevede anche la misura della composizione chimica di questo terreno (ricco di Ferro e Torio) e l’osservazione del cielo con radio onde a bassa frequenza (sul lato oscuro non esiste alcun disturbo elettromagnetico di origine terrestre). Il lander avrà a bordo un container al cui interno ci saranno semi di patate e larve di bachi da seta per testarne le capacità di sopravvivenza.

L’anno prossimo nel 2019 e poi nel 2020 le future missioni CHANG’E-5 e CHANG’E-6 avrannno un obiettivo ancora più ambizioso: riportare sulla Terra un campione di 2 kg suolo lunare. Si pensi che dobbiamo tornare indietro nel 1976 (sempre LUNA-24 dei sovietici) per ritrovare l’ultimo lancio robotico dal suolo lunare: da allora nessuno ha mai ritentato un lancio da un corpo extraterrestre! La tecnica di ritorno verso la Terra sarà simile a quella utilizzata dalla NASA durante le missioni APOLLO, con un rendezvous automatico del vettore di risalita al modulo di ritorno in orbita lunare che poi riporterà la navicella a Terra: per ridurre i rischi di insuccesso, un test di rientro controllato in atmosfera della capsula destinata a contenere il prezioso materiale è già stato effettuato nel 2014 con la missione sperimentale CHANG’E-5T1 che, oltre a percorrere un’orbita lunare, scattando magnifiche immagini (vedi foto) anche del sito di allunaggio della CHANG’E-4, ha verificato le traiettorie balistiche e gli stress termici della manovra di rientro.



Il satellite ponte di comunicazione cinese (QUEQIAO) usa il punto lagrangiano L2 del sistema Terra-Luna: in un sistema planetario dove un corpo ruota attorno ad un altro ci sono cinque punti (L1...L5, detti di Lagrange in onore del matematico italiano) dove le forze gravitazionali si equivalgono: L1, L2 e L3 sono instabili (come una palla su un dosso: una piccola perturbazione rompe l’equilibrio) mentre L4 e L5, collocati ai vertici di un triangolo equilatero con vertice nei corpi massivi, sono stabili (come un palla in una cunetta: ogni perturbazione la riporta in posizione). Nel caso specifico della CHANG’E-4, il satellite di comunicazione risente dei disturbi causati dal Sole e dagli altri pianeti (Giove soprattutto) e quindi ogni settimana l’orbita deve essere corretta.
In astronautica questi punti sono molto utilizzati: per quanto riguarda il sistema Sole-Terra, L1 (che dista 1,5 milioni di km dalla Terra verso il Sole) è strategico per lo studio della nostra stella ed è pertanto sede dei satelliti solari SOHO e ACE oltre che di LISA pathfinder (un satellite test per la captazione di onde gravitazionali nello spazio). In direzione simmetrica ma opposta c’è il punto L2, che ospita attualmente il satellite GAIA con l’obiettivo di misurare con una precisione senza precedenti posizione e velocità di circa 1 miliardo di stelle; nel passato vi hanno stazionato i telescopi spaziali HERSCHEL e PLANCK. Il futuro telescopio spaziale JWT la cui messa in orbita è stata ritardata al 2020, e la missione EUCLID stazioneranno per l’appunto in L2. Gli altri punti lagrangiani non sono ancora stati utilizzati dall’industria spaziale, ma L3 (che si trova dall’altra parte della Terra, rispetto al Sole) offre sia la possibilità di scrutare in anticipo di qualche giorno le tempeste solari che il posizionamento strategico di un satellite ponte verso i futuri astronauti interplanetari.
Non è noto a molti che la Terra possiede almeno due compagni che percorrono la stessa orbita: in L4 risiede l’asteroide 2010 TK7 che ha un diametro di 300 m e ci precede nell’orbita di circa due mesi. Vicino a L5 (e ci rimarrà per qualche decennio) invece abbiamo scovato un altro piccolo asteroide (419624-2010 SO16) di dimensioni analoghe, che ha una strana orbita a ferro di cavallo con periodo di oltre tre secoli.
Ben più popolati sono i punti L4 e L5 del sistema Sole-Giove dove si trovano decine di migliaia di asteroidi: si chiamano Troiani e sono suddivisi in accampamento greco (in L4 precedono il gigante gassoso nella sua stessa orbita) e troiano (in L5 lo seguono di 60°).



Ma torniamo al nostro satellite naturale: i punti lagrangiani del sistema Terra-Luna, finora sono stati poco sfruttati. Se L3 non ha interesse, in futuro i punti L4 e L5 saranno probabilmente sede di stazioni di servizio spaziali, dove collocare avamposti permanenti utili come base di assemblaggio e lancio di navicelle verso lo spazio profondo (sono punti stabili e favoriti da un punto di vista energetico): inoltre sono già stati commissionati studi per piazzare in L1 una stazione di rifornimento per vettori cargo da/per la Luna e per futuri turisti selenici (Exploration Gateway Platform).
E’ evidente l’interesse verso il ritorno sulla Luna, anche con equipaggio a bordo (ultimo uomo sulla Luna: 14 dicembre 1972). Gli americani intendono riportare un uomo in orbita lunare nel 2023 con la nuova navicella ORION; i russi dovrebbero riprendere i loro voli robotici con LUNA-25 nel 2019 e iniziare la costruzione di una base lunare dopo il 2030; l’agenzia spaziale giapponese sta sviluppando un programma di esplorazione lunare con equipaggio; quella indiana invierà a 70° latitidine Sud nell’autunno 2018 la sonda robotica CHANDRAYANN-2 composta da tre moduli (orbiter, lander e rover). Alcune compagnie private (SpaceX, MoonEX,..) annunciano voli robotici entro il 2020 e promettono viaggi turistici in orbita lunare a seguire: pura campagna di marketing al momento. In questo contesto l’agenzia cinese, molto realisticamente, sposta vicino al 2040 la data di allunaggio del suo primo astronauta.
Sia come sia, nei libri di storia dei nostri pronipoti lo sbarco dell’uomo sulla Luna sarà argomento di studio: in particolare si cercherà di capire il motivo della lunga pausa di oltre 60 anni. Cadute le motivazioni geopoliche della guerra fredda, oggi la corsa alla Luna si fonda su basi puramente scientifiche e tecniche: difficile pensare ad un ritorno economico immediato, anche se la regolite selenica abbonda di Elio 3 (combustibile pulito per i futuri reattori a fusione nucleare), e di minerali (i progetti di miniere lunari sono numerosi ed indispensabili per costruire in sito le basi permanenti e reperire ghiaccio dal sottosuolo lunare). Ma le sfide sono ardue: bisogna auspicare una cooperazione internazionale scientifica e anche economica, perchè i costi sono proibitivi per una singola nazione. I più nobili progetti di scienza e tecnologia (CERN, Stazione Spaziale Internazionale, basi antartiche, ITER,..) hanno oggi un approccio globale.. la riconquista della Luna non ne può prescindere!

La strada da percorrere è lunga e impervia.. PER ASPERA AD ASTRA!