Tra l’orbita terrestre bassa (LEO) e la Luna, c’è una regione dello spazio che misura 384.400 km di larghezza e conosciuta come spazio cislunare. Nei prossimi decenni, diverse agenzie spaziali invieranno missioni in questa area per sostenere lo sviluppo dell’infrastruttura che porterà a una presenza umana permanente sulla Luna. Ciò include habitat orbitali e superficiali, piazzole di atterraggio, veicoli di superficie, tecnologie per l’utilizzo delle risorse in situ (ISRU) e altri elementi che consentiranno l’esplorazione e lo sviluppo a lungo termine della superficie lunare.
Per tutte le parti interessate, lo spazio cislunare ha un enorme potenziale in termini di applicazioni scientifiche, commerciali e militari. L’aumento significativo dell’attività sulla Luna e nelle sue vicinanze rende fondamentale la consapevolezza dello spazio (SDA) – cioè la conoscenza di tutte le operazioni in una determinata regione dello spazio. È anche necessario garantire il continuo successo e utilizzo della regione coperta. In un recentissimo articolo, un team di ingegneri aerospaziali ha esaminato le missioni programmate per i prossimi decenni e valutato lo stato e le carenze della loro consapevolezza del dominio spaziale.

Lo studio è stato guidato da Brian Baker-McEvilly, uno studente di ingegneria aerospaziale presso l’Embry-Riddle Aeronautical University (ERAU). È stato affiancato da David Canales, professore associato di ingegneria aerospaziale presso l’ERAU, e Surabhi Bhadauria e Carolin Frueh, un’aspirante dottoranda e un professore associato presso la Purdue University nel Dipartimento di Aeronautica e Astronautica. L’articolo che descrive le loro scoperte è recentemente apparso online ed è in fase di considerazione per la pubblicazione da parte del

Concetto di sostenibilità della superficie lunare della NASA, che include il Programma Artemis. Credito: NASA
Consapevolezza del dominio spaziale
Conosciuta anche come “consapevolezza situazionale spaziale”, la SDA è fondamentale per le operazioni nello spazio. Come spiegato da Baker-McEvilly a Universe Today via email:

“La SDA è essenzialmente il concetto di avere una conoscenza completa di tutti gli oggetti in una specifica regione senza necessariamente avere comunicazioni dirette con quegli oggetti. È essenziale per la sicurezza delle navette spaziali poiché fornisce informazioni preziose sugli oggetti nelle loro vicinanze che potrebbero influire sull’esito della loro missione. Alcuni esempi generali dell’importanza della SDA risiedono nel fatto che aiuta a evitare collisioni, garantisce informazioni di tracciamento accurate e fornisce conoscenze su altre attività spaziali.”

Come afferma la NASA, l’obiettivo del Programma Artemis è “creare un programma sostenuto di esplorazione e sviluppo lunare.” Allo stesso modo, Cina, Roscosmos e l’ESA sperano di creare habitat lunari e infrastrutture correlate per consentire una presenza umana permanente sulla Luna. Un elemento chiave di questi programmi è la creazione di habitat nella regione polare meridionale della Luna (il bacino Polo Sud-Aitken). Queste attività richiederanno un notevole supporto sotto forma di consegne di carico, e l’esportazione di risorse lunari richiederà a sua volta missioni regolari da e verso la superficie lunare. Data questo livello di attività, la SDA sarà più vitale che mai.
Molti Progetti
Secondo il Programma Artemis, la NASA intende condurre il primo volo circumlunare con una navetta spaziale Orion con equipaggio (Artemis II) non prima di settembre 2025. Questo sarà seguito da Artemis III nel settembre 2026, la prima missione con equipaggio sulla superficie lunare dalla Apollo 17 nel 1972. Questo sarà realizzato lanciando una navetta spaziale Orion con equipaggio utilizzando il Space Launch System (SLS) verso l’orbita lunare. Il Sistema di Atterraggio Umano (HLS) fornito da SpaceX – il Starship HLS – verrà lanciato separatamente, rifornito in orbita e poi si unirà alla navetta Orion attorno alla Luna.
Una volta terminato il trasferimento di due astronauti all’HLS, questi voleranno verso la superficie lunare e trascorreranno circa 30 giorni conducendo esperimenti e recuperando campioni. Oltre ad Artemis III, la NASA inizierà a concentrarsi sul dispiegamento degli elementi chiave del Lunar Gateway, che sarà lanciato nel 2027 a bordo di un razzo Falcon Heavy. La missione Artemis IV seguirà nel settembre 2028 e vedrà un equipaggio di quattro persone trasferirsi per la prima volta da una navetta spaziale Orion al Lunar Gateway. Dopo ciò, la NASA intende inviare una missione all’anno sulla superficie lunare e dispiegare gli elementi del Campo di Base Artemis. Questi includeranno quanto segue:

Crediti: NASA
Inoltre, Cina e Russia hanno annunciato le loro intenzioni di creare il International Lunar Research Station (ILRS), che concorrerà con l’infrastruttura proposta dalla NASA. La timeline proposta prevede tre fasi. La fase di Ricognizione si concluderà con la missione Chang’e-7 (lancio nel 2026), che continuerà ad esplorare la superficie lunare attorno al bacino Polo Sud-Aitken per cercare risorse e valutare possibili siti per un futuro habitat. La Fase Due, Costruzione, si svolgerà tra il 2026 e il 2035 e vedrà il dispiegamento degli elementi che compongono l’ILRS.
Nel frattempo, l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) ha condotto diversi studi e proposte per una base lunare internazionale che servirebbe lo stesso scopo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Proposte precedenti includono il Moon Village dell’ESA, che consistette in una struttura estesa sotto la superficie e una cupola coperta di regolite che consentisse l’accesso alla superficie. Questo è stato seguito nel 2019 dall’ESA e dall’agenzia di architettura internazionale Skidmore, Owings & Merrill (SOM) che propose una serie di moduli semi-inflabili dislocati lungo il bordo di un cratere lunare.
Il concetto più recente è stato un altro sforzo di collaborazione tra l’ESA e l’agenzia di architettura internazionale Hassel. La loro proposta, il Lunar Habitat Master Plan, è un sistema abitativo modulare e scalabile in grado di ospitare una comunità fino a 144 persone. Come parte del loro studio, Baker-McEvilly e i suoi colleghi hanno esaminato questi piani e identificato due tendenze principali. Come ha riferito.

“Due tendenze chiave emergono quando si esaminano queste missioni; l’importanza di stabilire operazioni sostenibili e il valore strategico del Polo Sud Lunare. Molte missioni future hanno obiettivi di sperimentare nuove tecnologie che supportano operazioni sostenibili sulla Luna, come i metodi di raccolta dell’acqua dalla regolite lunare per gli astronauti, metodi di atterraggio efficienti per supportare il movimento costante verso e dalla superficie lunare, o l’utilizzo di traiettorie orbitali che richiedono poco carburante per rimanere al loro interno.
“Il Polo Sud Lunare è un elemento chiave dello spazio cislunare poiché rappresenta una posizione geografica efficiente per queste operazioni sostenibili. Il Polo Sud possiede crateri permanentemente in ombra che contengono concentrazioni di acqua all’interno della regolite. Inoltre, l’orbita near-rectilinear halo (NRHO) che ospiterà Gateway trascorre la maggior parte della sua traiettoria in linea di vista del Polo Sud e richiede molto poco carburante per mantenersi in caso di perturbazioni esterne.”

Arrivarci
Un altro aspetto chiave del loro studio è stata la dinamica dell’ambiente cislunare e le sfide nel inviare navette spaziali dalla Terra alla Luna. Queste sfide sono ben note, grazie a decenni di invii di missioni robotiche, per non parlare delle missioni con equipaggio sotto forma del Programma Apollo. Nei prossimi decenni, questa regione è prevista diventare piuttosto affollata con satelliti, navette spaziali, il Lunar Gateway e altre strutture orbitali. Le cose si complicano ulteriormente dal fatto che qualsiasi oggetto nello spazio cislunare dovrà affrontare il Problema dei Tre Corpi. Ha affermato Baker-McEvilly:

“[La] dinamica del regno cislunare diventa sfidante a causa dell’introduzione del terzo corpo nel problema della meccanica orbitale. Al momento, il problema dei tre corpi non ha una soluzione chiusa, e una navetta spaziale sotto l’influenza sia della Terra che della Luna non si muove più nel tradizionale senso kepleriano a due corpi con cui molti sono familiari. Questo causa la rottura di molti dei metodi tradizionali in astrodinamica, richiedendo così nuovi modelli e metodi per risolvere i problemi.”

Alla fine, hanno identificato alcune famiglie di orbite che evidenziano la geometria unica delle traiettorie periodiche nel Problema dei Tre Corpi, così come orbite che potrebbero avere un uso strategico in futuro. Tuttavia, come ha aggiunto Baker-McEvilly, queste traiettorie non sono esaustive e ne esistono molte altre ben documentate.
Carenze
Esaminando le missioni esistenti e previste che andranno sulla Luna nei prossimi decenni, Baker-McEvilly e i suoi colleghi hanno identificato diverse carenze per quanto riguarda la SDA. Hanno anche fornito raccomandazioni su come queste possano essere affrontate. Come ha indicato:

“I metodi di SDA utilizzati per monitorare oggetti intorno alla Terra che si basano su sensori terrestri non si traducono direttamente nella capacità di visualizzare oggetti nello spazio cislunare. La significativa distanza che un sensore terrestre deve coprire per raggiungere aree dello spazio cislunare è al di fuori delle capacità di molti sensori, specialmente dei sistemi radar. Per i sensori in grado di coprire questa distanza, come il Deep Space Network, spesso sono già sovraccarichi e sono troppo preziosi per essere dedicati solo alla SDA.
“Un’altra carenza sono le difficili condizioni di illuminazione che i sensori ottici devono superare per visualizzare oggetti in profondità nello spazio cislunare. Problemi come la Luna che blocca fisicamente la visuale delle missioni sul lato opposto, o la luce riflessa dalla Luna che offusca la luce riflessa da una navetta spaziale ostacolano le capacità dei sensori ottici. Di conseguenza, ci sono importanti regioni dello spazio cislunare che non sono sempre visibili dalle attuali reti di sensori.”

Rappresentazione artistica dello spazio cislunare, con le distanze incluse. Credito: Paul Spudis.
Come ha notato Baker-McEvilly, i ricercatori stanno investigando molteplici approcci per affrontare il divario nelle capacità di SDA cislunare. Alcune possibilità includono il posizionamento di sensori sulla Luna, il miglioramento della rete di sensori terrestre, o l’implementazione di costellazioni di sensori satellitari in tutto lo spazio cislunare. A suo avviso, una combinazione di queste soluzioni è la più adatta per risolvere il divario della SDA. Sperano anche che il loro studio fornisca a ricercatori, studenti e a chi è interessato all’esplorazione lunare una base sulla situazione attuale dello spazio cislunare e sui problemi che deve affrontare.
“I problemi chiave evidenziati nell’analisi dell’esplorazione cislunare e della SDA potrebbero indurre alcuni lettori a prestare maggiore attenzione a questi punti e a elaborare delle proposte che contribuiscano alla soluzione o a prevenire simili fallimenti dal ripetersi,” ha affermato.
Ulteriori Letture: arXiv