Space debris: rifiuti nello Spazio

di Alberto Monte

Materie coinvolte: Fisica

Produzione e smaltimento di rifiuti sono due problematiche che riguardano anche lo Spazio: milioni di frammenti riconducibili alle attività spaziali umane orbitano attorno alla Terra e costituiscono un rischio per le missioni in corso e future.

Satelliti e detriti spaziali: generalità

Nella società moderna, l’impiego dei satelliti è imprescindibile in molti campi: l’osservazione della Terra, la meteorologia, le ricerche sul clima, le telecomunicazioni e l’esplorazione dello Spazio. Secondo i dati aggiornati dell’ESA, dal 1957 a oggi sono stati lanciati circa 6300 razzi che hanno portato in orbita più di 14000 satelliti. Di questi, circa 9600 sono ancora nello spazio, e circa 6800 continuano a essere operativi [1]. Un problema legato all’impiego dei satelliti sta diventando via via più rilevante: la produzione di rifiuti spaziali (o space debris). Con il termine «detrito spaziale» si fa riferimento a qualunque oggetto creato dall’uomo che orbita attorno alla Terra senza più alcuna finalità pratica — resti o frammenti di razzi e satelliti non più operativi, materiale espulso dal motore dei razzi, piccole scaglie di vernice e polveri.

Formazione e pericolosità dei detriti spaziali

La formazione di detriti spaziali può essere associata a eventi di diversa natura. L’ESA li suddivide in: collisioni in orbita, solitamente tra un satellite e un detrito spaziale; incidenti o anomalie dovuti a difetti di progettazione; effetti aerodinamici dovuti all’interazione di razzi o satelliti con l’atmosfera; distruzione volontaria di un satellite; esplosioni riconducibili ai sistemi di propulsione o elettrici, [Figura 1].

La maggior parte dei detriti spaziali ha dimensioni ridotte, comprese tra 1 mm e 1 cm. Tuttavia, ogni detrito costituisce un serio pericolo a causa della sua velocità orbitale, che può arrivare a quasi 8 km/s [2]. L’impatto di un detrito con un satellite operativo, oltre a produrre nuovi detriti, può danneggiarlo in modo irreparabile, [Figura 2]. Ancora peggiori potrebbero essere le conseguenze di un impatto con una navicella che trasporta astronauti, oppure direttamente con un astronauta impegnato in un’attività extra-veicolare.

Emblematico è ciò che è accaduto il 10 febbraio 2009: nel cielo sopra la Siberia, a una quota di circa 800 km, il satellite inoperativo Cosmos 2251 si è scontrato con il satellite operativo Iridium 33. La velocità relativa di impatto è stata di circa 11,7 km/s [3].

Tracciamento e stime numeriche

La collisione tra Cosmos e Iridium ha prodotto più di 2300 frammenti tracciabili — detriti che possono essere individuati e di cui è possibile conoscere l’orbita. Per individuare e tracciare i detriti si utilizzano sensori radar e telescopi. In particolare, si osserva che la densità di detriti varia a seconda della quota e presenta due picchi: nella fascia compresa tra 800 e 1000 km e a una quota di circa 1400 km [3]. Nel caso di dimensioni inferiori a 10 cm, la procedura di tracciamento è estremamente difficoltosa. Invero, solo una minima parte dei detriti è attualmente catalogata — circa 30000, [Figura 3].

Per avere una stima del numero reale di detriti vengono usati metodi statistici molto sofisticati. Secondo i dati forniti da ESA, in orbita ve ne sono approssimativamente: 36500 con dimensioni maggiori di 10 cm; 1 milione con dimensioni comprese tra 1 cm e 10 cm; 130 milioni con dimensioni comprese tra 1 mm e 1 cm [1].

Obiettivo mitigazione

Per quanto vasto, lo spazio orbitale attorno alla Terra è limitato, e più il numero di detriti aumenta più aumenta la probabilità di collisioni. La sindrome di Kessler è uno scenario catastrofico ipotizzato negli anni Settanta dal consulente della NASA Donald Kessler, in cui il numero di detriti è talmente alto da causare frequenti impatti: si innescherebbe una reazione a catena che renderebbe impossibile la messa in orbita di nuovi satelliti [4]. Per scongiurare quest’eventualità e minimizzare i rischi, la mitigazione dello spazio orbitale è imprescindibile. Oggi, benché si stia pensando a metodi per rimuovere direttamente i detriti, ci si concentra in primo luogo su come limitarne la produzione seguendo delle linee guida internazionali. Per i satelliti che operano a quote comprese tra 200 e 2000 km (orbite LEO), ad esempio, una volta terminata la missione è raccomandato un piano di rientro per farli de-orbitare in una fascia dell’atmosfera terrestre dove l’effetto dell’attrito è tale da bruciarli completamente [5]. Per i satelliti che operano a quote di circa 36000 km (orbite GEO), invece, è raccomandato collocarli in orbite cimitero a quote maggiori, cosicché non interferiscano con altri satelliti operativi [5]. Gli scienziati, inoltre, hanno implementato sistemi di passivazione che consentono di scaricare le batterie e svuotare il carburante residuo al termine di una missione, così da prevenire esplosioni.

Sitografia

[1] Space debris by the number
[2] Space Debris and Human Spacecraft
[3] About space debris
[4] Sindrome di Kessler e protezione dello spazio
[5] Mitigating space debris generation

Attività per la classe: le missioni spaziali

Dividete la classe in 4 gruppi. Ogni gruppo deve fare una ricerca per rispondere a una di queste domande:

quali sono le agenzie spaziali più importanti del mondo e quali sono alcune delle missioni più significative che hanno portato a termine?

a quali progetti sta lavorando l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI)?

quali sono le orbite più utilizzate e per quali scopi?

quali sono, tipicamente, i costi e le fasi salienti di una missione spaziale?

Ogni gruppo preparerà una presentazione di 10 slide sulla domanda assegnata.