Una nuova aureola per la Luna

Un fenomeno ottico che crea un'aureola attorno alla Luna. Credit: Wikipedia.

Da circa cinque anni si discute su quale potrebbe essere l’orbita migliore dove parcheggiare la prossima stazione spaziale, quella che servirà di supporto per le missioni lunari. Finalmente NASA e ESA hanno dato il “GO” a un tipo di orbita dal nome molto complicato, Near-Rectilinear Halo Orbit (abbreviata NRHO), che richiede conoscenze avanzate di matematica e fisica per essere compresa nel dettaglio, e che è stata analizzata con cura dai tecnici per massimizzare l’efficienza delle operazioni future.

L’aureola disegnata dall’orbita attorno alla Luna in una ricostruzione elaborata dall’ESA.

La scelta intrapresa risponde agli obiettivi che si vogliono raggiungere dopo la realizzazione del più remoto avamposto spaziale umano attualmente in progettazione. La Stazione Spaziale Internazionale ruota attorno alla Terra in un’orbita bassa quasi circolare, a 300-400 chilometri dalla superficie. Gli astronauti delle missioni Apollo rimasti nel modulo di comando orbitavano anch’essi in un’orbita circolare poco inclinata attorno alla Luna, mentre i loro colleghi sbarcavano sulla superficie. Per il lunar gateway il discorso cambia radicalmente. Prima di tutto l’orbita NRHO scelta è un’orbita polare molto ellittica, che ruota assieme alla Luna, il che vuol dire che dalla Terra vedremo il gateway descrivere un ellisse allungato in direzione nord-sud, ma la Luna non sarà al centro, l’estremo nord sarà molto vicino al satellite e l’estremo sud molto lontano. Inoltre, ruotando in sincronia con la Luna, non vedremo l’ellisse schiacciarsi né attraversare il satellite, cioè sarà sempre perpendicolare alla nostra visuale. Un primo vantaggio di quest’orbita è che permette al gateway di essere sempre in contatto con la Terra, senza quindi incorrere in interruzioni radio di alcun genere, ma si tratta solo della punta dell’iceberg.

La meccanica orbitale inizia a farsi complessa quando la gravità da tenere in considerazione non è quella di un corpo solo, ma di due. Le regole di Keplero, formulate all’inizio della rivoluzione galileiana, non valgono più, e per il calcolo delle orbite non bastano le equazioni di secondo grado, a noi familiari dai tempi della scuola superiore. Non solo non bastano, anzi proprio non c’è una formula esplicita, bella ed elegante per risolvere il problema, come avviene per il problema a un corpo solo. Bisogna aspettare il diciottesimo secolo, quando Lagrange trova una quasi-soluzione alla questione, creando una branca della scienza più ampia, oggi nota come meccanica lagrangiana. La scoperta dell’astronomo e matematico è stata quella dei così detti ‘punti lagrangiani’, cinque punti particolari in un sistema a due corpi, dove uno è decisamente più grande dell’altro. Essi sono indicati con la lettera L seguita da un numero (L1, L2, L3, L4, L5). Da un punto di vista matematico, sono gli zeri di un’equazione che rappresenta la soluzione del trovare punti di equilibrio relativo in un sistema a due corpi.

Un corpo verde ruota attorno un corpo giallo di massa molto superiore: nel piano orbitale ci sono 5 punti di equilbrio. Credit: Wikipedia.

I punti lagrangiani, quindi, sono 5 punti in cui un corpo di massa trascurabile, se posto con la velocità giusta, vedrebbe la sua posizione relativa rispetto agli altri due mantenersi stabile durante tutta l’orbita. Di questi, i punti L4 e L5, quelli non allineati con la congiungente dei due corpi, sono punti di equilibrio stabile. Il che vuol dire che se il terzo corpo non è precisamente in quel punto, ma lì vicino, orbita lievemente attorno al punto lagrangiano. Ci sono tanti esempi che sfruttano questi punti, sia da parte della natura che dell’uomo. I satelliti Greci e Troiani di Giove sono l’esempio più spettacolare che ci fornisce la natura, un accumulo di asteroidi che segue o precede il re dei pianeti del sistema solare nella sua orbita attorno al Sole. Il satellite europeo Gaia, che sta realizzando una mappa dettagliatissima della Via Lattea, ruota attorno al punto di Lagrange L2 del sistema Terra-Sole, una posizione privilegiata per l’osservazione delle stelle e le comunicazioni con la Terra. Da un punto di vista astronautico i punti lagrangiani, oltre ai vantaggi già elencati, hanno un costo relativamente basso in termini energetici per essere raggiunti (partendo da entrambi i corpi).

Rappresentazione animata delle famiglie di orbite Halo: si nota come allontanandosi dal punto L2 cambia nettamente il piano orbitale.

Man mano che ci si discosta dai punti lagrangiani, l’equilibrio diventa sempre più instabile, le orbite si deformano e assumono comportamenti strani. Un’orbita semi-stabile attorno al punto L2 non è più complanare con l’orbita del secondo corpo, ma ne forma una specie di contorno circolare che se osservato dal primo corpo sembra una specie di aureola. È da qui che prende il suo nome l’orbita halo, che in inglese significa proprio aureola. Un’orbita NRHO appartiene alla famiglia di orbite di tipo halo ma è proprio all’estremo di questo insieme.

L’orbita scelta dagli scienziati ESA-NASA, NRHO, risponde quindi alle caratteristiche della missione di lungo termine che dovrà affrontare il gateway lunare. In termini di delta V sarà relativamente facile arrivare dalla Terra, e da lì sbarcare sulla Luna. Tuttavia, l’orbita non sarà stabile e saranno necessarie manovre correttive per mantenerla al suo posto, ma questo non è un grosso problema, succede anche con la ISS, che spesso fa operazioni di aggiustamento dell’orbita. Le comunicazioni con la Terra saranno senza interruzioni, in quanto la visibilità sarà totale. Altre scelte hanno definito meglio i dettagli dell’orbita, che avrà un periodo di 7 giorni, un perilunio di 3.000 km e un apolunio di 70.000 km: con queste caratteristiche si riduce anche il tempo in cui mancherà l’approvvigionamento di luce solare, necessario per i pannelli solari, a causa del passaggio nelle zone d’ombra della Terra e della Luna.

Il primo modulo del lunar gateway verrà inviato nel 2023, la costruzione proseguirà nell’orbita NRHO. Credit: NASA.

Il gateway lunare sarà l’ultima fermata prima di un viaggio verso la Luna, il punto ideale per sostare, rifornirsi ed equipaggiarsi prima di iniziare la discesa verso la superficie, quando un lander si staccherà dal gateway al momento del sorvolo a bassa quota, idealmente a 3.000 km, inizializzando le manovre necessarie per la discesa. Dalla Terra l’invio di risorse non sarà vincolato al momento dello sbarco, ma potrà avvenire con largo anticipo, a differenza del programma Apollo quando nel razzo di partenza si doveva portare tutto con sé (lander compreso). Mezzi e equipaggio potranno volare in momenti differenti e vari componenti potranno essere assemblati in loco per evitare l’uso di razzi super pesanti per trasportare artefatti già pronti dalla Terra.

L’ESA ha coniato il termine Angelic Orbit per questa particolare traiettoria. La costruzione del gateway lunare potrebbe già iniziare nel 2023 con l’invio del primo modulo ed essere operativa in forma ridotta dal 2024 per supportare la prima missione del Programma Artemis.

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3 risposte

  1. MayuriK ha detto:

    Non sapevo di questo fattore, grazie per l’articolo, molto interessante!

  2. Marino ha detto:

    Caspita, interessante!
    Ma significa che il lander potrà riagganciarsi a questa stazione orbitante ogni 7 giorni o multipli per poter rientrare sulla terra?

    • Gianmarco Vespia ha detto:

      Più o meno sì. Nel senso che le finestre di tempo in cui si potrà tornare dalla Luna al gateway sono cadenziate con un periodo di 7 giorni, ma il lander non tornerà intero, solo il modulo di ascesa ed eventualmente il modulo di trasferimento torneranno sul gateway. E niente di tutto questo rientrerà sulla Terra, solo gli astronauti con la capsula Orion, magari con qualche pietrolina raccolta sulla superficie.

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