Un viaggio gratis per la Luna

La teoria dei sistemi dinamici permette di calcolare le traiettorie di un satellite lanciato nello spazio in modo che utilizzi la minore quantità di carburante possibile. È possibile applicare gli stessi modelli alle missioni verso gli asteroidi e altri corpi celesti.

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“Al momento mi occupo di simulazione con gli asteroidi. È un argomento molto futuristico: ci sono molte agenzie spaziali che progettano missioni verso gli asteroidi per usarli come stazioni di rifornimento oppure per l’industria mineraria spaziale.”

RICERCANDO ALL’ESTERO – “Ho sempre sognato di contribuire a una nuova missione spaziale, per capire meglio da dove veniamo e come possiamo evolvere come società. Immagina di essere un professore universitario e di entrare nella tua classe dicendo «ragazzi oggi progettiamo un satellite che va sulla Luna». Non è immediatissimo, ma nemmeno così lontano”.

Nome: Nicola Baresi
Età: 30 anni
Nato a: Brescia
Vivo a: Boulder (Stati Uniti)
Dottorato in: (in corso) Astrodinamica e sistemi satellitari (Boulder, Stati Uniti)
Ricerca: Tori quasi periodici invarianti e applicazioni all’astrodinamica.
Istituto: Department of Aerospace Engineering Sciences University of Colorado Boulder
Interessi: viaggiare, fotografia, correre, ascoltare musica, suonare la chitarra.
Di Boulder mi piace: il paesaggio, la natura (ci sono tanti sentieri, è bellissimo fare hiking)
Di Boulder non mi piace: il cibo, non c’è l’espresso, le unità di misura. Stile di vita è diverso, le persone sono molto sportive ma individualiste. Il Colorado viene ricercato per questioni di privacy.
Pensiero: We choose to go to the moon in this decade and do the other things, not because they are easy, but because they are hard. (John F. Kennedy)

Cosa c’è dietro a una missione low cost per inviare un satellite sulla Luna?
Soldi uguale carburante, quindi basso costo vuol dire meno propellente e anche più spazio interno, da occupare magari con strumenti scientifici, e quindi più creatività per il tipo di scienza che si vuole fare durante una missione spaziale.

Una strategia per eliminare carburante è sfruttare le dinamiche dei sistemi spaziali. Una delle missioni più belle che sono state fatte è il progetto Genesis della NASA, lanciato nel 2001 in un un’orbita specifica del sistema Terra-Sole con l’obiettivo di collezionare particelle solari all’interno di una capsula, poi rispedita sulla Terra. Il tutto, sfruttando solamente la dinamica del sistema solare quindi senza usare più di tanto il propulsore del satellite, acceso solo per correggere gli errori di traiettoria che inevitabilmente si verificano.
Questa missione è stata progettata seguendo la teoria dei sistemi dinamici, branca della matematica alla base del mio lavoro.

In pratica, quando cerchiamo di comprendere la natura modellando delle le leggi fisiche arriviamo sempre a delle equazioni differenziali. Noi le usiamo per descrivere come un satellite, o un corpo, evolve per effetto delle forze naturali, principalmente la forza di gravità anche se ci sono altre componenti da considerare dato che in orbita attorno alla Terra non c’è solo il nostro satellite ma anche pianeti o corpi come la Luna, che esercitano un certo effetto gravitazionale.
Morale della favola: man mano che aggiungiamo termini per avvicinarci alla realtà vera e propria del sistema solare, le equazioni differenziali diventano sempre più complicate e sempre meno risolvibili analiticamente. Dobbiamo allora ricorrere a simulazioni numeriche fatte al computer. La teoria dei sistemi dinamici è importante in questo contesto perché dà una serie di strumenti per produrre soluzioni particolari grazie alle quali possiamo sbizzarrirci a disegnare le missioni spaziali.

In cosa consistono queste soluzioni particolari?
Si tratta per esempio di orbite periodiche, cioè orbite che si ripetono nel tempo, difficili da trovare specialmente se nell’equazione sono stati inclusi tanti elementi che rendono più complicato il moto del satellite. Le orbite periodiche in ambito aerospaziale sono note da sempre e sono state calcolate con questi modelli numerici a partire dagli anni ’80.

La mia ricerca consiste nell’andare oltre e analizzare altre strutture dinamiche come i tori, oggetti matematici teoricamente a forma di ciambella ma in pratica allungati, distorti e molto aggrovigliati per effetto della gravità di altri pianeti. Se lanciamo un satellite su un toro, in teoria continuerà a muoversi lungo la superficie senza lasciarla mai, fino a coprire tutto lo spazio e senza tornare mai nello stesso punto. In realtà ci sono perturbazioni quindi i calcoli sono molto più complicati, ma stiamo comunque parlando di una struttura dinamica molto valida soprattutto a livello di progettazione di una missione, perché permette di fare un sacco di cose nuove come creare trasferimenti Sole-Luna a basso costo.

È possibile pensare di mettere più satelliti su un toro quasi periodico?
Certo, in tal modo sono legati dinamicamente tra loro, non potranno mai volare a grandi distanze e resteranno relativamente vicini gli uni agli altri. Uno dei risultati più recenti ottenuti con queste simulazioni numeriche è aver trovato, in modo sistematico, le condizioni iniziali per cui una moltitudine di satelliti resta in orbita relativa l’uno attorno all’altro, senza subire l’effetto della perturbazione gravitazionale di altri corpi.

Per migliorare l’accuratezza delle misure, si può anche far partire uno scambio di informazioni tra i satelliti. Grazie al volo in formazione si sono ottenuti dati incredibili come l’elevazione della Terra, tra cui per esempio l’altezza dei grattacieli, con un’accuratezza di 2 metri, 15 volte superiore rispetto alle misure passate. Se sei un normale cittadino che vive in un condominio e il satellite registra che la tua elevazione è cambiata rispetto al passato, probabilmente non è molto sicuro continuare a vivere là.

Un altro esempio molto famoso di missione con volo in formazione riguarda due satelliti che si inseguono in orbita a una distanza che varia a seconda di dove si trovano rispetto alla Terra. Studiando la variazione di questa misura si riesce a vedere come cambia la gravità e l’inerzia del pianeta e a capire, per esempio, come e dove le masse d’acqua si spostano. A questo proposito si sono ottenuti dati che corroborano la teoria del riscaldamento globale, perché si vede chiaramente che la massa di ghiaccio ai poli si sta sciogliendo e sta migrando.

Di che tipo di satelliti ti stai occupando?
Al momento faccio simulazioni con gli asteroidi e cerco di calcolare la traiettoria di un satellite che vi orbita attorno. Il campo gravitazionale degli asteroidi è molto diverso da quello della Terra perché sono brutti, molto allungati e irregolari quindi l’orbita non è chiusa come te la insegnano a scuola e il satellite potrebbe andare da tutte le parti. Con la teoria dei sistemi dinamici riusciamo a trovare un ordine e a calcolare delle orbite quasi periodiche.

È un argomento molto futuristico, ci sono tantissime agenzie spaziali che progettano missioni verso gli asteroidi per usarli come stazioni di rifornimento per viaggi molto lunghi oppure per l’industria mineraria spaziale. Si stanno investendo un sacco di soldi per studiare il ritorno economico di un lancio di satelliti che vadano sugli asteroidi a prelevare materie prime e ritornino sulla Terra carichi.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?
Il calcolo di queste ciambelle bidimensionali dinamiche ha aperto un sacco di prospettive. Una è trovare nuove traiettorie balistiche di trasferimento, non accelerando il satellite ma sfruttando la dinamica del sistema solare per spostarlo dalla Terra alla Luna o ad altri corpi. Lo svantaggio è il tempo ma se puoi permetterti di lanciare un satellite e tenerlo libero per mesi, arrivi alla Luna gratis!
L’impatto potrebbe essere grandissimo, soprattutto ora che c’è una fortissima tendenza a miniaturizzare i satelliti, vedi il progetto CubeSat che spero un domani sia accessibile a tutte le università e non solo alle grosse agenzie spaziali o ai grossi enti di ricerca.

Leggi anche: ArgoMoon: l’Italia in viaggio verso lo spazio profondo

Pubblicato con licenza Creative Commons Attribuzione-Non opere derivate 2.5 Italia

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