Spazzatura spaziale: cos’è e come si può combattere

Se c’è una cosa che contraddistingue l’uomo contemporaneo da altre specie viventi su questo pianeta è la capacità di produrre rifiuti. Un talento di cui non andare troppo fieri soprattutto perché, buona parte di essi, sono composti da materiali ingegnerizzati o prodotti di laboratorio, ottenuti attraverso processi chimici e fisici d’avanguardia. Come tali, risultano lentamente o solo parzialmente biodegradabili. Oppure, non lo sono affatto. Ma se pensate che la spazzatura sia un problema tutto terrestre, vi sbagliate di grosso perché l’essere umano riesce ad inquinare qualsiasi luogo in cui svolga delle attività. Questa questione rappresenta il lato oscuro dell’esplorazione spaziale: interessa già diffusamente le orbite attorno alla Terra e presto potrebbe invadere anche altri corpi del nostro Sistema Solare come la Luna e Marte, mete sempre più ambite per le future missioni.

Lo spazio che circonda il nostro pianeta è disseminato di detriti che si sono accumulati in poco tempo: basti pensare che i primi tentativi di abbandonare l’atmosfera terrestre furono fatti durante la Seconda Guerra Mondiale e, ufficialmente, l’Era Spaziale iniziò nel 1957 con il lancio dello Sputnik 1 sovietico, il primo oggetto artificiale lanciato in orbita.

Vengono chiamati in inglese space junk (rifiuto spaziale) o space debris (detriti spaziali), una terminologia diventata di uso comune anche nel vocabolario italiano. Ma comunque li si voglia chiamare, stanno diventando davvero molti, di diverse dimensioni, più o meno inquinanti.  Costituiscono un rischio significativo per le nuove missioni e quelli che non possono essere messi in sicurezza, hanno un destino segnato: tutto ciò che mandiamo su, o prima o poi torna giù. Per cui, in qualche modo e con le tempistiche più diverse, la maggior parte dei rifiuti spaziali è destinata a rientrare nell’atmosfera terrestre. I frammenti più piccoli bruceranno come meteore ma i più grandi potrebbero colpire ovunque.

Cosa sono i rifiuti spaziali

La spazzatura spaziale può prodursi in vari modi: dal materiale di scarto delle missioni o al loro termine, a causa del normale esaurimento di un’apparecchiatura; con collisioni o incidenti.

Alla prima categoria appartengono, ad esempio, gli stadi superiori dei vettori che vengono sganciati durante le varie fasi del decollo e costituiscono una delle fonti più significative di detriti spaziali.
Satelliti terrestri, telescopi orbitanti, sonde e rover inviati nel Sistema Solare, invece, diventano automaticamente un rottame al termine della loro vita operativa.
Quando è possibile, gli orbiter inattivi vengono parcheggiati nelle cosiddette “orbite cimitero” che non interferiscono con le orbite commerciali o scientifiche; o in “orbite sicure”, per scongiurare che si trasformino in PHO (Potentially Hazardous Object), cioè oggetti potenzialmente pericolosi. Tra questi, c’è la stravagante Tesla Roadster rossa con a bordo il manichino-pilota, lanciata dalla SpaceX durante il volo inaugurale del Falcon Heavy nel 2018. Immessa in un’orbita eliocentrica, potrebbe trasformarsi in un detrito spaziale tra qualche milione di anni.
Altri oggetti vengono, invece, riportati a Terra attraverso rientri controllati: in parte bruciano in atmosfera, in parte cadono in mare. A questa categoria appartengono anche tutte le navicelle che intenzionalmente hanno impattato sulla Luna o altrove al termine della loro missione (come la sonda dell’ESA Rosetta che ora riposa sulla cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko). Queste scelte spesso sono dettate dai vincoli di “Protezione Planetaria” che impongono di salvaguardare da una possibile contaminazione gli ambienti più interessanti del Sistema Solare.

Nel secondo gruppo rientrano i frammenti che si creano con gli incidenti come lo scontro che avvenne tra il satellite russo defunto Kosmos-2251 e l’operativo americano Iridium 33 il 10 febbraio 2009. I due impattarono accidentalmente a una velocità di 11.700 m/s e ad un’altitudine di 789 km sopra la penisola di Taymyr in Siberia, producendo circa 2.000 frammenti. Uno di questi passò a qualche centinaia di metri dalla Stazione Spaziale Internazionale nel 2012, costringendo i sei membri dell’equipaggio a rifugiarsi nel Soyuz. Un altro frammento del Kosmos-2251, grande quanto una mano, minacciò la sicurezza della ISS nel 2014 e, in quella occasione, si decise di accendere i propulsori ed innalzare l’orbita di tutto il complesso.
Altri rottami appartenenti al secondo gruppo sono, purtroppo, quelli derivati dagli incidenti come il disastro dello Shuttle Columabia che esplose durante il rientro l’1 febbraio 2003, nel corso della missione STS-107. I suoi resti furono trovati nel Texas orientale, nella Louisiana occidentale e nelle contee sudoccidentali dell’Arkansas.

Ma il mix di detriti nell’orbita terrestre è variegato e bizzarro. Oltre a satelliti morti, sonde e stadi di razzi, frammenti di vernice, viti, bulloni fanno letteralmente il giro del mondo. Gli astronauti hanno perso diversi attrezzi durante le attività extraveicolari: a Piers Sellers scappò una spatola durante la missione STS-121; nel 2008, a Heide Stefanyshyn-Pipe volò via un’itera borsa di arnesi del valore di 100.000 dollari (che bruciò in atmosfera qualche mese più tardi). Il guanto termico di riserva di Ed White, il primo spacewalker americano, divenne il primo detrito fluttuante nella bassa orbita terrestre, perso durante il volo del Gemini 4 del 1965.

Altri frammenti sono ancora più curiosi: cristalli di pipì, che prima non veniva non veniva riciclata, fluttuano come minuscoli detriti; le ceneri di Gene Roddenberry, creatore della famosa serie Star Trek, furono consegnate nello spazio nel 1992 dallo Shuttle Columbia nell’ambito della missione STS-52; mentre quelle dell’ingegnere capo dell’Enterprise, Scotty, interpretato dall’attore James Doohan, furono lanciate nel 2012 con un volo del Falcon 9 della SpaceX.

Una questione di numeri

Secondo l’agenzia federale statunitense NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) avviene circa un rientro incontrollato al giorno, così viene definito il momento in cui un rifiuto spaziale entra nell’atmosfera terrestre fuori controllo. Quindi, dobbiamo preoccuparci?
La statistica dice di no perché le probabilità giocano a nostro favore per un paio di buoni motivi:
– la popolazione umana vive concentrata su una piccola parte della superficie terrestre, mentre oltre il 70% del globo è ricoperto dagli oceani;
– per la maggior parte si tratta di frammenti molto piccoli che bruciano in atmosfera senza raggiungere il suolo

In effetti, sulla Terra, nessuno è stato mai ucciso dalla spazzatura spaziale e gli incidenti registrati sono pochissimi: nel 1969 una nave giapponese fu colpita da detriti spaziali presumibilmente sovietici e cinque marinai rimasero feriti; nel 1997, una donna dell’Oklahoma venne ferita ad una spalla da un pezzo di materiale metallico annerito di 10×13 cm, probabilmente proveniente dal secondo stadio del razzo Delta che stava rientrando in atmosfera proprio in quel momento.

Altri eventi possono essere classificati come disastri sfiorati.
Il satellite sovietico Kosmos 954, ad esempio, sebbene non fosse particolarmente grande, creò molta preoccupazione perché era alimentato da una batteria nucleare. Cadde nel nord-ovest del Canada il 24 gennaio 1978, diffondendo detriti radioattivi su una vasta area. Il governo canadese fatturò all’Unione Sovietica 6 milioni di dollari per coprire i costi di ricerca e rimozione dei frammenti ma i sovietici ne pagarono solo 3.

A maggio di quest’anno, il primo stadio del vettore cinese Long March 5B ha rischiato di scatenare un incidente diplomatico, non colpendo gli Stati Uniti per un soffio. Il vettore è finito in mare nei pressi della costa africana occidentale, tra le isole Canarie e Capo Verde, lunedì 11 maggio intorno alle 15:34 UTC. Tuttavia, dei frammenti sono stati segnalati vicino ad alcuni villaggi sulla Costa D’Avorio, a Bianouan, Abongoua, Bocanda, Mankono e Béoumi, per fortuna senza alcuna conseguenza.

Secondo le più recenti stime ci sono 128 milioni di oggetti con dimensioni tra 1 mm ed 1 cm, 900.000 oggetti grandi tra 1 cm ed i 10 cm e 34.000 oggetti più grandi di 10 cm che attualmente sfrecciano intorno al nostro pianeta. Per una massa totale di oltre 8.800 tonnellate. Molti di questi viaggiano a circa 28.000 km/h, o circa 10 volte più velocemente di un proiettile.
Lo Space Surveillance Networks, una rete di sensori e radar che cerca di identificare, catalogare e seguire tutti gli oggetti artificiali attorno alla Terra, riesce a tenerne monitorati solo circa 22.300.

La sindrome di Kessler e il prossimo futuro

La sindrome di Kessler è stata proposta nel 1978 da uno scienziato della NASA, Donald J. Kessler. In questo scenario la quantità di rifiuti in orbita attorno alla Terra diventa tale da generare continue collisioni. Il principio è quello di una reazione a catena dalla quale consegue un incremento esponenziale del volume di detriti e quindi, del rischio di ulteriori impatti. Il crescente numero di rifiuti in orbita renderebbe, quindi, impossibile l’uso di satelliti e l’esplorazione spaziale per molte generazioni.

È qualcosa di molto simile a quello che viene mostrato nel film Gravity del 2013, di Alfonso Cuarón, con Sandra Bullock e George Clooney. Nella storia, un missile russo impatta con un satellite defunto causando un’esplosione che, a sua volta, colpisce altri satelliti e crea un’onda di detriti che distrugge lo Shuttle, il telescopio spaziale Hubble, la Stazione Spaziale Internazionale e la Stazione Spaziale Cinese Tiangon 1.

Oggi i protagonisti del settore aerospaziale sono sempre di più, sia pubblici che privati, per rispondere alle esigenze della nuova era spaziale, più economica e più commerciale. Il fiorente mercato dell’internet satellitare e la costellazione di Starlink di Elon Musk, per l’accesso globale alla banda larga, ne sono un esempio concreto.

Nel prossimo futuro, con il programma della NASA Artemis anche la Luna tornerà a essere oggetto di grande interesse per missioni robotiche, umane e basi permanenti.
Dall’orbita lunare, una costellazione di cubesat made in Italy offrirà un sistema di telecomunicazione stabile ed in tempo reale con il nostro pianeta. Si chiama Andromeda ed è stata progettata dalla Argotec, un’azienda ingegneristica aerospaziale di Torino diventata popolare per la ISSpresso, la macchina per il caffè espresso utilizzata sulla Stazione Spaziale Internazionale.

E quindi, quale sarà il destino dello spazio attorno alla Luna? Si riempirà di detriti come quello terrestre?
Abbiamo chiesto a David Avino, fondatore e CEO della Argotec,  cosa succederà quando uno dei satelliti del cluster necessiterà di manutenzione o andrà sostituito o diventerà inattivo. «Il problema della manutenzione dei satelliti e dei detriti spaziali derivanti da costellazioni è una questione particolarmente importante che avrà un impatto nell’immediato futuro», ci ha risposto via e-mail. «Le considerazioni da fare in merito a questo tema riguardano principalmente due aspetti: la fattibilità dell’attività di riparazione e i costi. In caso di malfunzionamento di un satellite sarebbe necessario procedere con manutenzioni ad hoc che però non hanno, salvo rarissimi casi, un effettivo ritorno economico. Quindi generalmente si preferisce lanciare un nuovo satellite in sostituzione di quello vecchio. La manutenzione delle piattaforme, soprattutto quelle di piccole dimensioni come le nostre, è un’attività pressoché impossibile e davvero molto costosa. Nella storia sono state effettuate poche manutenzioni su satelliti ma di dimensioni maggiori. Si può ricordi, ad esempio, la spettacolare riparazione del telescopio spaziale Hubble ad opera dell’equipaggio di una missione Shuttle».  Per evitare che i nanosatelliti diventino pericolosi rottami spaziali, la Argotec ha deciso di «collocare all’interno delle proprie piattaforme satellitari del propellente aggiuntivo che consente al satellite, una volta raggiunta la fase di fine vita, di effettuare un cambio orbitale. Grazie a questa operazione il satellite può modificare in autonomia la propria orbita collocandosi in un’orbita sicura, diversa da quella originaria», senza diventare un detrito spaziale ed evitando di compromettere la costellazione in uso.

D’altra parte, c’è un punto dell’Accordo Artemis che fa proprio riferimento al problema dei rifiuti spaziali e cita: “ la NASA e le nazioni partner concorderanno di pianificare la mitigazione dei detriti orbitali, compresa la passivazione e lo smaltimento sicuri, tempestivi ed efficienti dei veicoli spaziali al termine delle loro missioni.”. Ma cosa significa in concreto?
«L’aspetto riguardante lo smaltimento dei detriti spaziali è al centro dell’attenzione delle agenzie spaziali mondiali ma ancora non è stata trovata una soluzione tangibile. Infatti, mentre per il caso di orbite terrestri basse è possibile effettuare delle manovre per riportare il satellite all’interno dell’atmosfera al fine di bruciarlo, nel caso di satelliti in orbita intorno ad altri pianeti, l’unica soluzione percorribile è quella di effettuare una manovra per portare il satellite nelle cosiddette “orbite cimitero”. Queste orbite garantiscono la non interazione con satelliti o pianeti per un tempo maggiore di 50 anni.  In alcuni casi, quando le leggi definite dalla protezione planetaria per ridurre la contaminazione organica di pianeti con rilevanza scientifica nella formazione della vita lo consentono, è possibile fare impattare il satellite contro il pianeta intorno a cui sta orbitando al fine di ridurre la presenza di detriti in orbita», ha spiegato Avino, «Nel caso specifico del nanosatellite ArgoMoon, che presto parteciperà alla missione Artemis 1, le autorità americane che gestiscono la missione ci hanno imposto dei requisiti in merito alla rimozione tempestiva dei rifiuti spaziali. Noi abbiamo voluto soddisfare queste richieste inserendo del propellente aggiuntivo all’interno del satellite che permetterà di effettuare un flyby (un passaggio ravvicinato) con la Luna prima del suo spegnimento. Questo passaggio ravvicinato porterà ArgoMoon ad acquisire la velocità necessaria a sfuggire dalla sfera di influenza terrestre e a collocarsi autonomamente in un’orbita sicura intorno al Sole che non lo renderà in futuro un detrito spaziale pericoloso».

Dopo la Luna, il problema della spazzatura spaziale toccherà a Marte dove c’è già un discreto numero di sonde in orbita operanti o defunte e rover sulla superficie, attivi, abbandonati o schiantati.

Una tassa orbitale potrebbe risolvere il problema

Negli ultimi anni sono state proposte molte soluzioni ingegneristiche per risolvere il problema della spazzatura spaziale: reti, arpioni, raggi laser distruttivi ma nessuna, finora, è risultata efficace e facilmente praticabile. A fianco dei problemi di ordine tecnico, difficili aspetti burocratici ed economici sono ancora in discussione. In primo luogo, le linee guida internazionali per mitigare lo spazio dai detriti sono tutte volontarie. Inoltre, in base alla normativa vigente, i proprietari di un satellite devono concedere l’autorizzazione a chiunque voglia avvicinarlo. E infine, visto che la maggior parte dei detriti, attualmente in orbita, è frutto delle attività passate di Stati Uniti e Russia, con la Cina al terzo posto, chi dovrebbe pagare i costi della rimozione? Ed è qui che entrano in campo gli economisti dell’Università del Colorado, proponendo una tassa sull’uso orbitale.

Lo spazio deve essere inteso come un bene prezioso, mentre i fruitori tendono ad abusarne senza pagare il prezzo reale per il disordine causato. Allo stesso modo, nessun paese è effettivamente incentivato ad accollarsi tutte e spese. Matthew Burgess, coautore dello studio recentemente pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences, ha commentato «lo spazio è una risorsa comune ma le aziende non tengono conto del costo che i loro satelliti impongono agli altri operatori quando decidono di lanciare».  Secondo il ricercatore, le compagnie aerospaziali continueranno mettere in orbita un numero sempre maggiore di satelliti, fino a quando il rischio di collisione non sarà uguale al valore del satellite operativo.

Gli economisti, in genere, risolvono questo problema con un’imposta pigouviana, applicabile quando un’attività produce effetti economici ampi (esternalità), positivi o negativi, influenzando il benessere di altri soggetti o della società. L’approccio sarebbe simile alla tassa sulle emissioni di anidride carbonica (carbon tax), una sorta di ecotassa proposta per la lotta ai cambiamenti climatici.
«In altri settori, affrontare la tragedia dei beni comuni ha richiesto notevoli costi sociali di recupero. Ma l’industria spaziale è relativamente giovane e può evitare questi costi prima che aumentino», ha aggiunto Burgess. L’imposta sarà un incentivo per gli operatori del settore a considerare l’intero ciclo di vita delle loro apparecchiature e potrà aumentare il valore a lungo termine dell’industria spaziale.

Le tariffe per l’uso orbitale potrebbero essere dirette o permessi negoziabili e potrebbero differenziarsi in base all’orbita, perché satelliti in orbite diverse producono rischi di collisione variabili.  Tali commissioni aumenterebbero nel tempo, per tenere conto del crescente valore delle orbite pulite.

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