di Gianmarco Vespia Pubblicato 18 novembre 2021

Sono passati 64 anni dal 1957, quando lo Sputnik 1, il primo oggetto artificiale lanciato nello spazio, inaugurò l'esplorazione umana del sistema solare con sonde robotiche. Dall'orbita terrestre è andato sempre più lontano, alla Luna, ad altri pianeti, asteroidi e comete. Molto è stato esplorato e molto resta ancora da esplorare; il nostro sistema solare è davvero molto vasto e diversificato. Con i suoi 15.000 miliardi di chilometri di raggio, però, diventa un oggetto molto piccolo se paragonato alle distanze con cui ci si deve confrontare al di fuori di esso. La stella più vicina è più di un milione di volte questa magnitudine e tutto il resto del cielo visibile è di ordini di grandezza ancora maggiori.

Nonostante ciò, la prima missione spaziale robotica al di fuori del sistema solare, Interstellar Probe, è già in fase di studio avanzato. Questa è un'iniziativa per studiare il mezzo interstellare a una lunghezza che è tre volte la lunghezza percorsa dalla sonda più lontana finora. È una distanza considerevole, ma già possibile con la tecnologia odierna.

La missione Interstellar Probe mira ad operare da una distanza di 1.000 au unità astronomiche, per durare almeno 50 anni dal lancio, per poter svolgere autonomamente attività scientifiche, per comunicare con la Terra, seppur con grande ritardo, e per utilizzare solo tecnologie esistenti e testate nello spazio. Si tratta quindi di raccogliere il meglio di ciò che viene utilizzato nell'esplorazione spaziale senza inventare nulla di nuovo, per cercare di arrivare molto più lontano di quanto non siamo mai andati.

Tanto per fare un confronto, solo quattro sonde hanno varcato il confine del sistema solare, area che idealmente viene identificata con il termine di eliosfera, la vasta regione sotto l'influenza del vento solare che termina a circa 100 au dal Sole. questi solo due sono ancora attivi, Voyager 1 e Voyager 2, che distano rispettivamente 154 e 128 au dal Sole. Gli altri due, Pioneer 10 e Pioneer 11, sono a 130 e 108 au ma sono inattivi rispettivamente dal 2003 e dal 1995.

Le due sonde Voyager sono state lanciate nel 1977, quindi sono attive da 44 anni, quindi non è impensabile progettare una nuova sonda progettata per durare almeno 50 anni nello spazio profondo. Inoltre, la missione principale della Voyager 1 si è conclusa nel 1980, pochi mesi dopo il sorvolo di Saturno, giusto il tempo di inviare i dati sulla Terra, quindi la sonda ha una vita di gran lunga superiore alle aspettative.

Sulla base di questa esperienza, da molti anni si discute sull'utilità di inviare una sonda al di fuori della sfera d'influenza elettromagnetica della nostra stella, per studiare i raggi cosmici, e non solo, prima che interferiscano con il vento solare. È difficile definire con precisione quando sia nata la discussione, sebbene vi sia una proposta scritta già nel 1960 in un documento della NASA; una missione interstellare fu addirittura ipotizzata nel 1911, ben prima che l'astronautica nascesse come branca di ingegneria, da Ciolkovskij, che elaborò l'equazione del razzo e capì che senza il supporto dell'energia nucleare una missione del genere difficilmente sarebbe stata realizzata. Attualmente, quanto ipotizzato 110 anni fa rimane ancora vero.

Più recentemente, una proposta simile ha iniziato a essere seriamente presa in considerazione intorno al 2018, quando è stata presentata dal Principal Investigator (PI) Ralph McNutt al Congresso Astronautico Internazionale di Brema. Da allora ci sono stati studi e finanziamenti su questa missione, e al momento più di 500 scienziati ci hanno lavorato, anche se non a tempo pieno. Una missione di questo tipo, infatti, avrebbe un enorme ritorno scientifico che non riguarda un singolo settore, ma che attirerebbe l'attenzione in misura diversa da diverse branche scientifiche, come l'eliofisica, l'astrofisica, le scienze planetarie.

Innanzitutto, osservare il sistema solare da un punto di vista molto remoto darebbe informazioni sulla forma dell'eliosfera, difficile da riconoscere dall'interno. Grazie ai telescopi a terra e in orbita è stato possibile individuare la forma dell'astrosfera di altre stelle della nostra galassia, che non è affatto sferica a dispetto di quanto suggerisce il nome, ma è per lo più di forma allungata di cometa, sostanzialmente nella direzione del moto della stella rispetto al mezzo interstellare.

In secondo luogo, la sonda sarebbe in grado di analizzare particelle di gas e polvere che non hanno mai interagito con il vento solare, il che ci consentirebbe di comprendere la composizione del materiale primordiale che ha formato il nostro sistema. L'analisi in situ permetterebbe anche di approfondire gli studi di astrofisica, analizzando raggi cosmici intatti. Inoltre, durante il lungo viaggio non mancheranno occasioni per incontri interessanti, come la visita ad un pianeta nano o ad un asteroide nella Kuiper Belt (KBO, Kuiper Belt Object).

Ci sono più di 130 pianeti nani osservati fino ad oggi e oltre 2.000 KBO di oltre 100 km di diametro, ma molto altro deve ancora essere scoperto. Si stima che ci siano più di 100.000 KBO di queste dimensioni. Ogni KBO è diverso dall'altro e un sorvolo ravvicinato di Interstellar Probe su uno di questi oggetti darebbe preziose informazioni sulla formazione dei corpi celesti in luoghi lontani dal Sole e quindi in condizioni estremamente fredde.

Interstellar Probe è attualmente nella fase due di questo studio, che è stato commissionato dalla divisione di eliofisica della NASA presso il Laboratorio di fisica applicata della Johns Hopkins University; la prima fase si è conclusa a giugno 2019 e questa si concluderà ad aprile 2022. In questi anni lo studio è maturato grazie al confronto costruttivo di centinaia di partecipanti, esperti di diversi settori, che ha permesso di arrivare ad un concetto di mission chiaro e realizzabile. Tuttavia, nulla è ancora definitivo e il design potrebbe cambiare radicalmente, sia per quanto riguarda la natura della sonda, sia per quanto riguarda il profilo della missione.

All'incirca devi andare molto veloce, questo è il vincolo più restrittivo. Sono state analizzate varie possibilità, soprattutto nella prima fase dello studio, e tutte prevedevano l'ausilio dell'attrazione gravitazionale di almeno un grande corpo celeste del sistema solare. I tre profili di missione inizialmente proposti prevedevano una semplice traiettoria di assistenza gravitazionale di Giove per guadagnare energia orbitale, una con un'accensione propulsiva vicino a Giove per sfruttare meglio la sua spinta gravitazionale (effetto Oberth), o una retroassistenza di Giove per perdere energia. orbitale e finiscono a pochi milioni di chilometri dal Sole, luogo in cui una manovra propulsiva sarebbe stata molto più efficace a causa della maggiore gravità del Sole.

La prima soluzione, il semplice sorvolo di Giove, è quella che è stata scelta al momento. Sebbene gli altri due avrebbero consentito in qualche modo di guadagnare più energia orbitale, a vantaggio del tempo di viaggio o della capacità di carico, entrambi richiedevano l'utilizzo di tecnologie non ancora del tutto sperimentate, rischiando di rimandare la missione negli anni. Per sfruttare l'effetto Oberth su Giove è necessario effettuare un kick stage con la sonda, una sorta di ultimo stadio di un razzo in grado di effettuare un'accensione dei motori anni dopo il lancio, prima di separarsi completamente dalla sonda. Questa manovra non è mai stata ancora eseguita in quanto i motori delle sonde sono sempre stati utilizzati per eventuali piccole correzioni orbitali.

La manovra con effetto Oberth sul Sole, invece, sarebbe stata sicuramente la più proficua, ma avrebbe richiesto, oltre al kick stage, l'utilizzo di uno scudo capace di resistere all'intensa attività del Sole a a breve distanza da esso. Sebbene questa protezione sia attualmente in uso con la sonda Solar Parker, la vicinanza richiesta dalla sonda interstellare sarebbe stata ancora maggiore, modificando i requisiti di resistenza dello scudo.

Quando si pianifica una missione bisogna tenere a mente una cosa molto importante: non sarà certo l'unica missione ad essere finanziata. La pianificazione deve essere credibile e dettagliata in primis, ma soprattutto deve essere realizzabile senza rischi eccessivi, per quanto si può dire di una missione spaziale. Nel caso in questione si è deciso di procedere con la soluzione più semplice per evitare che durante la selezione per il finanziamento questa missione venga scartata a causa dei rischi dovuti a tecnologie non testate.

In termini di risultati ottenibili, il semplice sorvolo di Giove consentirà alla sonda di viaggiare a pieno regime con una velocità di circa 7-8 au all'anno. Per confronto, il sorvolo propulsivo di Giove avrebbe permesso di raggiungere i 12,5 au/anno, mentre il profilo con il sorvolo ravvicinato del Sole avrebbe fatto raggiungere alla sonda al di fuori del sistema solare la velocità di 20 au/anno, raggiungendo la obiettivo utopico. 1.000 au in circa 50 anni. Si tratta di velocità notevoli, anche per il profilo "lento". Il Voyager 1, ad esempio, viaggia con una velocità di 3,6 au/anno.

Un altro fattore che ha fatto cadere la scelta sulla prima variante è il fatto che il finanziamento arriva dal dipartimento di eliofisica e un viaggio più lento può portare anche maggiori ritorni scientifici. Il Sole ha infatti un ciclo attivo periodico di 11 anni ed è interessante vedere come l'ambiente cambia all'eliopausa, il confine dell'eliosfera, in fasi di diversa attività del Sole. Una sonda troppo veloce non permetterebbe di cogliere queste differenze.

Un'altra caratteristica distintiva della pianificazione di questa missione è l'impatto che il comportamento sociale degli scienziati può avere sull'obiettivo finale. Si tratta di una questione banale per missioni con obiettivi primari fino a 10 anni, che non devono tenere conto di un aspetto da non sottovalutare: la maggior parte delle persone coinvolte nella missione morirà prima di raggiungere l'obiettivo.

Solitamente il Principal Investigator si affeziona alla missione, conosce ogni dettaglio tecnico e rimane il principale punto di riferimento per tutta la durata della stessa. Per Interstellar Probe, questo non sarà il caso. Occorre un radicale cambio di gestione, dall'individualità al gruppo; inoltre, deve essere sempre chiaro quando ci sarà il cambio di personale in tutti i ruoli, compreso il PI, che inevitabilmente dovrà essere rimosso e sostituito in determinate date. Questo problema è stato individuato, discusso e messo nero su bianco anche nel documento di preparazione della missione. Durante le missioni Voyager, inizialmente previste per 4,5 anni, morirono ben 6 PI. La scienza che fanno è ora ridotta con meno della metà degli strumenti scientifici funzionanti, ma per Interstellar Probe la missione principale durerà 50 anni. In questo periodo tutto dovrà funzionare, e la missione potrà essere estesa anche fino a 100 anni.

Per entrare nei dettagli su come sarà la sonda, qui si sono dovuti fare troppi compromessi. Non può essere molto pesante, altrimenti non raggiungerà la velocità desiderata, ma non troppo piccola perché dovrà poter comunicare a miliardi di chilometri di distanza, e soprattutto dovrà saper fare scienza. In linea di massima, gli strumenti scientifici occuperanno circa il 10% della massa della sonda. Non è una regola, ma una necessità: oltre alla strumentazione, è infatti necessario portare con sé sistemi di comunicazione, controllo di assetto, energia e generazione di carburante.

Il peso complessivo sarà di circa 800 kg, a cui va aggiunto un piccolo margine di sicurezza; gli strumenti scientifici non sono stati ancora tutti definiti, ma peseranno 87,4 kg nella versione leggera e 89,1 kg nella versione estesa. Non mancheranno sicuramente un magnetometro, strumenti per l'analisi del plasma e pick-up ioni, strumenti per l'analisi delle particelle neutre (neutroni ma soprattutto ENA, atomi neutri energetici). E poi la parte più dibattuta, un importantissimo spettrometro Lyman-alfa per lo studio del mezzo interstellare, ovvero strumenti ottici nel visibile e nell'infrarosso per coprire le esigenze scientifiche durante un eventuale sorvolo di un oggetto transnettuniano.

Per le comunicazioni utilizzeremo la classica antenna parabolica in banda X. Avrebbe potuto essere utilizzata la nuova tecnologia di comunicazione laser, già sperimentata in orbita bassa e prossimamente in sperimentazione in qualche missione interplanetaria, ma non vi è alcuna garanzia che la tecnologia funzioni ben oltre i 10 au e si è deciso, come al solito per evitare rischi, di dare e affidarsi a tecnologie consolidate. L'antenna ad alto guadagno avrà un diametro di 5 metri e richiederà 52 watt di potenza per la comunicazione. Il flusso di trasmissione dei dati dipenderà dalla distanza, raggiungerà 2.592 b/s dalla distanza di 375 au e 365–500 b/s da 1.000 au in downlink, un po' meno in uplink (2.000 e 250 b/s rispettivamente). Prendendo come riferimento le solite sonde Voyager, la loro antenna aveva un diametro di 3,5 metri e trasmettono da una distanza molto più breve a 160 b/s.

Un sistema RTG di nuova generazione (MM-RTG) sarà utilizzato anche per il generatore elettrico. Una coppia di generatori termoelettrici a radioisotopi sarà in grado di garantire 300 W di potenza elettrica dopo 50 anni di funzionamento. Il combustibile utilizzato per questi generatori è il plutonio 238 e finora non ci sono mai stati problemi nella generazione di energia elettrica nelle sonde dotate di questo sistema. Il generatore non ha parti in movimento e l'usura è molto ridotta. Per sua natura, il plutonio 238 ha un'emivita radioattiva di 88 anni, quindi dopo soli 50 anni la riduzione della fornitura di energia elettrica sarà contenuta.

Nonostante tutta l'attenzione da limitare alle tecnologie consolidate, c'è qualcosa nel progetto che resta ancora da testare, ma si spera lo sarà entro il 2030. È il lanciatore che porterà la sonda nello spazio e la metterà in trasferta traiettoria verso Giove. Il razzo scelto è un SLS Block 2, e sebbene non abbia mai volato, nemmeno nelle precedenti versioni, è attualmente l'unico vettore in sviluppo con prestazioni dichiarate in grado di fornire un'energia orbitale alla sonda tale da farla raggiungere i 7 , 5 au/anno dopo la fionda gravitazionale di Giove. Prima della data di lancio è possibile che compaia qualche altro vettore, come Starship di SpaceX o New Glenn di Blue Origin, ma al momento nessuno di questi due lanciatori ha un design definitivo, e soprattutto le loro prestazioni non sono state ufficializzate, come è successo per SLS.

Il team Interstellar Probe è già in contatto con il team di sistemazione del carico utile SLS, per stabilire i vincoli energetici di lancio e come posizionare la sonda all'interno del muso, sia nella variante di lancio con semplice sorvolo di Giove, sia nelle altre due varianti più complesse , se dovessero essere necessari in futuro. Nonostante questo lavoro stia procedendo, non è detto che non cambieremo completamente le brocche in futuro. Tuttavia, è attualmente escluso che le varianti minori di SLS 2 (come SLS Block 1 e SLS Block 1B) abbiano prestazioni sufficienti.

Mentre molti dettagli tecnici sono già stati stabiliti o quasi, la direzione in cui andrà rimane abbastanza flessibile. In fondo l'obiettivo è andare lontano, non è così importante scegliere un punto preciso. Un vincolo tecnico è quello di mantenersi il più possibile sul piano dell'eclittica. Muoversi da questo piano, infatti, richiederebbe molta energia, che andrebbe a discapito della velocità della sonda. Inoltre, Giove, una pietra miliare per ottenere ulteriore energia orbitale, orbita a poco più di un grado dal piano dell'eclittica.

Per quanto riguarda i vincoli scientifici, stranamente, ci sono aree più o meno interessanti nell'immensità del vuoto dello spazio profondo. Innanzitutto va detto che l'eliosfera non è simmetrica, ma presumibilmente leggermente allungata a forma di cometa. Per uscire dall'eliosfera sarebbe quindi opportuno dirigersi verso il "naso" (come viene chiamata questa parte dell'eliosfera) della cometa, e non verso la coda. L'ideale sarebbe non uscire esattamente dal naso, ma da un angolo di circa 45°, per vedere l'eliosfera da una prospettiva utile alla sua ricostruzione tridimensionale.

Inoltre, c'è una regione misteriosa che sarebbe interessante esplorare, il nastro IBEX. Non avendo fondi sufficienti per studiare i confini dell'eliosfera, anni fa (2008) la NASA ha inviato la sonda IBEX in orbita terrestre alta per analizzare gli atomi neutri che provenivano dall'eliopausa e ha notato una strana abbondanza di particelle provenienti da una particolare fascia, che oggi prende il nome di nastro IBEX, di cui non si conosce l'origine. Naso dell'eliosfera e nastro IBEX sono i due principali vincoli scientifici che definiscono il raggio d'azione della missione.

Un terzo vincolo dipenderà dalla decisione o meno di dotare la sonda di strumenti ottici e quindi di sorvolare un astro lontano. In questo caso, un buon candidato per una visita potrebbe essere Quaoar, che si trova sulla traiettoria giusta per rispettare i due vincoli precedenti e dista pochi gradi dall'eclittica. È un pianeta nano con un diametro di poco più di mille chilometri, ed è uno dei tanti oggetti conosciuti della fascia di Kuiper; si trova a circa 40 au dal Sole, ad una distanza tra l'afelio e il perielio di Plutone, per fare un confronto con un oggetto più familiare.

A 90 au si concluderebbe la prima fase della missione Interstellar Probe, quella dedicata allo studio dell'eliosfera interna. Seguirà una fase intermedia nell'elioguaina, tra 90 e 120 au, dedicata allo studio in situ della regione di cambiamento tra quella dominata dal vento solare e quella dominata dai raggi cosmici. È anche importante poter osservare quest'area dello spazio in momenti diversi dell'attività del Sole, per capire come varia a seconda del ciclo solare. Oltre 120 au inizia quindi l'ultima fase, quella dello studio del vero mezzo interstellare, dove l'influenza del vento solare è ormai impercettibile.

Al momento, con il profilo di missione più accreditato, quello con una velocità media di 7,5 au all'anno, la sonda potrebbe raggiungere i 375 au in 50 anni dal lancio. È sicuramente un obiettivo ambizioso e sarebbe un ottimo punto di osservazione per vedere la forma della nostra astrosfera e comprendere meglio i raggi cosmici, lo spazio interstellare incontaminato e studiare il materiale da cui è stato formato il nostro sistema solare.

Spesso quando si parla di distanze così grandi perdiamo un po' di orientamento. Giusto per dimensionare bene le dimensioni di questa missione, al momento gli obiettivi delle missioni principali presenti e passate non superavano l'orbita di Saturno, ovvero 10 au, con la sola eccezione di New Horizons che aveva Plutone a 33 come obiettivo primario . au dal sole. Anche per Voyager 2, che sorvolò Urano e Nettuno, si trattava infatti di un'estensione della missione e non della missione principale, che prevedeva solo il sorvolo di Giove e Saturno.

Quindi, con l'eccezione di Plutone, l'esplorazione del sistema solare con sonde robotiche è sempre stata concentrata in uno spazio molto piccolo, se visto dalla prospettiva della missione Interstellar Probe. Ci sono cose interessanti da osservare, tuttavia; il sistema solare è molto vario anche oltre l'ultimo pianeta, Nettuno, a 30 au dal Sole. Questo pianeta esercita una forte influenza gravitazionale sui corpi celesti della fascia immediatamente esterna, la KBO, confinando gli oggetti in orbite stabili prestabilite, in risonanza con la propria. Plutone, infatti, è un tale oggetto, in risonanza 2: 3 con l'orbita di Nettuno. È solo il primo di una lunga lista di oggetti scoperti, con un periodo di rivoluzione attorno al Sole in media di 247 anni.

I Plutini, infatti, di cui Plutone è uno dei tanti rappresentanti, hanno tutti un semiasse maggiore dell'orbita di 39 au. Esistono molte altre famiglie di oggetti risonanti con Nettuno, come i twotini, con semiasse maggiore di circa 48 au, comunemente chiamati così perché hanno una risonanza 1: 2; altre famiglie non hanno nemmeno un nome specifico. Andando oltre, oltre i 50 au, i KBO diminuiscono sensibilmente e inizia una nuova regione di oggetti ancora meno conosciuta: il disco diffuso. Sono corpi celesti tra 50 e 100 au di distanza dal Sole e che si muovono su orbite ellittiche molto diverse, non essendo vincolati da grandi corpi celesti vicini. Si ritiene che le orbite, caratterizzate da elevata eccentricità e inclinazioni, possano essere instabili per milioni di anni e raggiungere il sistema solare interno o essere lanciate ancora più lontano.

Molto più avanti, a 550 au, c'è un punto piuttosto particolare, non certo oggetto di questa missione, ma che in un futuro molto lontano potrebbe essere molto allettante per una missione scientifica ancora troppo futuristica per i nostri giorni. Questa distanza, infatti, corrisponde alla distanza focale del grande telescopio che si otterrebbe se si utilizzasse il Sole come lente gravitazionale. È già in corso uno studio su questa missione, Solar Gravitational Lens Mission, ma è ancora solo accademicamente.

Procedendo ancora oltre, le attuali conoscenze del sistema solare si riducono notevolmente: letteralmente a tentoni nel buio. Oltre i 1.000 AU cessa quasi completamente l'influenza elettromagnetica del Sole, anche se non del tutto quella gravitazionale. Da questa distanza inizia l'ipotetica ma ben accreditata Oort Cloud, un'area popolata da oggetti ghiacciati che si pensa sia la culla delle comete a lungo termine. Il limite superiore della Nube è dibattuto, ma ora sono all'incirca distanze dell'ordine di grandezza dell'anno luce. Le mille unità astronomiche sono comunque il limite superiore di funzionamento per il quale la sonda è stata progettata.

Potenzialmente l'interesse astrofisico a uno o due anni luce di distanza risiede più nelle proprietà elettromagnetiche del mezzo interstellare che nei corpi celesti ancora confinati gravitazionalmente dal Sole. La nostra stella, infatti, si trova in quella che viene chiamata Local Interstellar Cloud (LIC), un'area di passaggio temporaneo caratterizzata da un campo magnetico relativamente elevato. Il Sole è arrivato in questa nuvola circa 100.000 anni fa e vi rimarrà solo per altri 10.000, poiché attualmente è molto vicino al bordo. Le osservazioni delle sonde Voyager sono state molto utili nel fornire indizi preliminari sul LIC, Interstellar Probe con i suoi strumenti più accurati e dedicati al mezzo interstellare potrebbe aiutarci a comprendere a fondo il cortile in cui viviamo nella nostra galassia, anche se più allora le sue scoperte saranno note ai nostri nipoti.

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