Back in 2007, un ingegnere al Jet Propulsion Laboratory, Rob Manning, ha rivelato una verità allarmante. Nonostante avesse guidato con successo i team di ingresso, discesa e atterraggio (EDL) per tre missioni di rover su Marte, lui sosteneva che l’atterraggio di una missione umana sul Pianeta Rosso potrebbe essere impossibile.
Tuttavia, dopo quasi 20 anni di lavoro e ricerca, così come ulteriori atterraggi di rover su Marte, la sua opinione si è notevolmente evoluta.
“Abbiamo fatto enormi progressi dal 2007,” ha detto Manning durante una conversazione recente nel 2024. “È interessante vedere come la situazione si sia evoluta, ma le sfide fondamentali che affrontavamo nel 2007 non sono scomparse; si sono solo trasformate.”
I problemi derivano dalla combinazione dell’atmosfera ultra-sottile di Marte—oltre 100 volte più sottile di quella terrestre—e dalla grande dimensione delle navette spaziali necessarie per le missioni umane, che si stima possano pesare tra 20 e 100 tonnellate metriche.
“Molte persone concludono immediatamente che atterrare esseri umani su Marte dovrebbe essere facile,” ha affermato Manning nel 2007, “dato che abbiamo avuto successo nell’atterraggio sulla Luna e atterriamo regolarmente veicoli con equipaggio dallo spazio sulla Terra. E poiché Marte si trova tra la Terra e la Luna in termini di dimensioni e atmosfera, ci si aspetterebbe che l’atterraggio su Marte sia altrettanto semplice.”
Tuttavia, l’atmosfera di Marte presenta sfide non riscontrabili sulla Terra o sulla Luna. Un’astronave grande e pesante che attraversa l’atmosfera sottile e volatile di Marte ha solo pochi minuti per rallentare dalla velocità interplanetaria (per esempio, il rover Perseverance viaggiava a 12.100 miglia all’ora [19.500 km/h] quando ha raggiunto Marte) a velocità inferiori a Mach 1, per poi effettuare rapidamente la transizione a un modulo di atterraggio e rallentare in modo da toccare il suolo con delicatezza.
Video pubblicato dal curatore di Universe Today, Fraser Cain, riguardante le sfide dell’atterraggio su Marte, con ulteriori dettagli in questo articolo.
Nel 2007, la convinzione predominante tra gli ingegneri EDL era che ci fosse troppa poca atmosfera per atterrare come si fa sulla Terra, ma in realtà c’era troppa atmosfera su Marte per atterrare veicoli pesanti come sulla Luna, utilizzando soltanto la tecnologia propulsiva.
“Lo chiamiamo il Problema di Transizione Supersonica,” ha dichiarato Manning nel 2007. “Unico per Marte, esiste un divario velocità-altitudine sotto Mach 5. Il divario si trova tra la capacità di un sistema di ingresso di grandi dimensioni su Marte e la capacità delle tecnologie di decelerazione super e subsonica di scendere sotto la velocità del suono.”
Fino ad ora, il carico più grande atterrato su Marte è il rover Perseverance, che pesa circa 1 tonnellata metrica. L’atterraggio riuscito di Perseverance e del suo predecessore Curiosity ha richiesto una complessa serie di manovre e dispositivi, come il Sky Crane. I veicoli più grandi, con equipaggio umano, entreranno nell’atmosfera a velocità e pesi ancora maggiori, rendendo estremamente difficile il rallentamento.
Rob Manning, ingegnere capo per il Jet Propulsion Laboratory della NASA, con il Sky Crane per l’atterraggio dei rover su Marte. (Crediti: NASA/JPL-Caltech/Keck Institute)
“Quindi, come facciamo a ridurre la velocità a livelli subsonici,” ha affermato Manning nel 2024 come ingegnere capo al JPL, “per raggiungere velocità in cui tradizionalmente sappiamo come attivare i motori per permettere un atterraggio? Pensavamo che paracaduti più grandi o deceleratori supersonici come il LOFTID (Low-Earth Orbit Flight Test of an Inflatable Decelerator) testato dalla NASA avrebbero potuto aiutarci a rallentare meglio, ma ci sono stati ancora problemi con entrambi questi dispositivi.”
“Tuttavia c’era un’idea di cui non sapevamo nulla,” ha continuato Manning. “Che ne dite di utilizzare il vostro sistema di propulsione e sparare i motori all’indietro—retropropulsione—mentre volate a velocità supersoniche per ridurre la velocità? Nel 2007, non conoscevamo la risposta a questa domanda. Non pensavamo nemmeno fosse possibile.”
Perché no? Cosa potrebbe andare storto?
“Quando si attivano i motori all’indietro mentre si attraversa un’atmosfera, si forma una frontiera d’urto che si muove attorno,” ha spiegato Manning, “quindi potrebbe sbattere contro il veicolo e causare instabilità o danni. Si vola anche direttamente nel flusso dei gas da scarico del motore razzo, quindi potrebbero esserci ulteriori possibilità di attrito e riscaldamento sul veicolo.”
Tutto ciò è estremamente difficile da modellare e non c’era praticamente alcuna esperienza a riguardo, poiché nel 2007 nessuno aveva mai utilizzato esclusivamente la tecnologia propulsiva per rallentare e poi atterrare un veicolo spaziale di nuovo sulla Terra. Questo è principalmente dovuto al fatto che la nostra bellissima atmosfera, lussuosamente densa, rallenta facilmente un veicolo spaziale, specialmente con l’uso di un paracadute o un volo creativo come quello dello Space Shuttle.
“Le persone furono in grado di studiarne un po’, e giungemmo alla conclusione che sarebbe stato utile provarci e scoprire se si potessero attivare i motori all’indietro e vedere cosa sarebbe successo,” ha notato Manning, aggiungendo che non c’erano fondi aggiuntivi disponibili per lanciare un razzo solo per osservarne il ritorno.
Poi, SpaceX iniziò a fare test per tentare di atterrare il primo stadio del Falcon 9 sulla Terra per riutilizzarlo.
“SpaceX ha dichiarato che avrebbero provato,” ha detto Manning, “e per farlo dovevano rallentare il razzo nel fase supersonica mentre si trovava nell’alta atmosfera terrestre. Così c’è una parte del volo in cui attivano i motori all’indietro a velocità supersoniche in una atmosfera rarefatta, molto simile a quella di Marte.”
Come si può immaginare, ciò è stato incredibilmente intrigante per gli ingegneri EDL che pensano alle future missioni su Marte.
Dopo alcuni anni di prove, errori e fallimenti, il 29 settembre 2013 SpaceX ha eseguito la prima manovra di retropropulsione supersonica (SRP) per decelerare il rientro del primo stadio del razzo Falcon 9. Anche se alla fine ha colpito l’oceano e fu distrutto, la SRP ha effettivamente funzionato per rallentare il razzo.
La NASA ha chiesto se i suoi ingegneri EDL potessero osservare e studiare i dati di SpaceX, e SpaceX ha acconsentito senza riserve. A partire dal 2014, NASA e SpaceX hanno formato una partnership pubblico-privata triennale incentrata sull’analisi dei dati SRP chiamata progetto NASA Propulsive Descent Technology (PDT). I razzi F9 furono dotati di strumenti speciali per raccogliere dati specifici sui fenomeni durante l’ingresso che cadevano nel range di numeri di Mach e pressioni dinamiche previsti su Marte. Inoltre, furono condotte campagne di immagini visive e infrarossi, ricostruzioni di volo e analisi della fluidodinamica – tutto questo ha aiutato sia la NASA che SpaceX.
Con sorpresa e gioia di tutti, funzionò. Il 21 dicembre 2015, un primo stadio F9 tornò e atterrò con successo nella Zona di Atterraggio 1 a Cape Canaveral, il primo atterraggio di un razzo di classe orbitale. Questa dimostrazione della SRP ha avanzato notevolmente la conoscenza e testato la tecnologia dell’uso della SRP su Marte.
“Basandosi sulle analisi completate, la sfida rimanente SRP è caratterizzata come uno degli ingegneria di sistemi di volo prudente in dipendenza della maturazione di specifici sistemi di volo su Marte, non dall’avanzamento tecnologico,” ha scritto un team EDL, illustrando i risultati del progetto PDT in un documento. In breve, il successo di SpaceX significava che non sarebbe stata necessaria alcuna tecnologia nuova sinistra o violare le leggi della fisica per atterrare carichi pesanti su Marte.
“Si scopre che abbiamo appreso alcune nuove leggi fisiche,” ha affermato Manning. Hanno scoperto che la bolla di frontiera d’urto creata attorno al veicolo attivando i motori isola in qualche modo il veicolo spaziale da qualsiasi buffettamento, oltre a qualche forma di riscaldamento.
Gli ingegneri EDL credono ora che la SRP sia l’unica tecnologia di ingresso, discesa e atterraggio su Marte che sia intrinsecamente scalabile su una vasta gamma e dimensione delle missioni per perdere sufficiente velocità durante il volo atmosferico e consentire atterraggi sicuri. Insieme all’aerobraking, questa è una delle principali modalità per atterrare attrezzature pesanti, habitat e anche esseri umani su Marte.
Tuttavia, permangono numerosi problemi irrisolti per quanto riguarda l’atterraggio di una missione umana su Marte. Manning ha menzionato che ci sono molte incognite, tra cui come un grande veicolo come il Starship di SpaceX verrebbe guidato attraverso l’atmosfera di Marte; si possono utilizzare le pinne a ipersonica o l’ambiente termico del plasma le scioglierà? La quantità di detriti sollevati dai grandi motori su una navetta di dimensioni umane potrebbe essere fatale, specialmente per i motori che si desidererebbe riutilizzare per ritornare in orbita o sulla Terra; quindi come proteggere i motori e il veicolo? Marte può essere molto ventoso, quindi cosa succede se si incontra un vento di taglio o una tempesta di polvere durante l’atterraggio? Quali gambe di atterraggio funzionerebbero per una grande navetta sulla superficie rocciosa di Marte? Infine, ci sono problemi logistici come come sarà tutta l’infrastruttura realizzata? Come saranno rifornite le navi per tornare a casa?
“Tutto questo richiederà molto tempo, più di quanto la gente possa rendersi conto,” ha affermato Manning. “Uno degli svantaggi di andare su Marte è che è difficile fare prove ed errori a meno di essere molto pazienti. La prossima volta che potremo riprovare sarà dopo 26 mesi a causa della tempistica delle finestre di lancio tra i nostri due pianeti. Santo cielo, che dolore sarà! Ma penso che impareremo molto non appena avremo l’opportunità di provare.”
E almeno la questione della retropropulsione supersonica ha trovato risposta.
“Stiamo fondamentalmente facendo quello che Buck Rogers ci disse di fare negli anni ’30: attivare i motori all’indietro mentre andiamo molto veloci.”
2007 articolo: L’Approccio all’Atterraggio su Marte: Portare Carichi Pesanti sulla Superficie del Pianeta Rosso