Il viaggio verso la Luna è un'impresa che affascina l'umanità da decenni, ma la quantità di carburante necessaria per raggiungere il nostro satellite naturale è una questione complessa, influenzata da numerosi fattori come il tipo di missione, la tecnologia del razzo e la possibilità di rifornimento nello spazio. Non esiste una cifra unica e definitiva, ma si possono esaminare le sfide e le innovazioni che rendono possibile (o sempre più efficiente) questa straordinaria avventura.
Il dispendio energetico per un viaggio lunare
Per comprendere il fabbisogno di carburante, è essenziale considerare la complessità di una missione lunare. Un razzo come lo Space Launch System (SLS) della NASA, utilizzato per il programma Artemis, impiega due tipi di propellente: ossigeno liquido e idrogeno liquido. Mentre l'ossigeno liquido è relativamente più semplice da gestire, l'idrogeno liquido presenta sfide significative. Le sue molecole sono estremamente piccole e possono fuoriuscire attraverso le più minuscole fessure, richiedendo inoltre temperature estremamente basse (-252 °C) per rimanere allo stato liquido.
I motori RS-25 che alimentano l'SLS, così come i due booster laterali a stato solido, generano una spinta colossale. Durante la fase di lancio di una missione come Artemis II, il razzo solleva la navicella Orion dal suolo con una spinta di 39 milioni di Newton. Dopo circa un minuto e 10 secondi, il razzo e la capsula raggiungono un'altezza di 12 km e una velocità di 1600 km/h, superando la fase di massimo stress aerodinamico. I booster laterali si distaccano dopo due minuti e nove secondi, e i motori di jettison del Launch Abort System (LAS) separano la torre dalla navicella Orion a tre minuti e 18 secondi. Dopo otto minuti dal lancio, a circa 48 km di quota e una velocità di 28.000 km/h, i quattro motori principali RS-25 si spengono (Main Engine Cut Off, MECO).
A questo punto, la navicella è composta dall'Interim Cryogenic Propulsion Stage (ICPS), lo stadio intermedio che fornisce propulsione a Orion per immettersi in orbita attorno alla Terra, e dalla navicella Orion stessa. Sono previste due manovre cruciali in questa fase: la prima, 49 minuti dopo il lancio, innalza la quota al perigeo, mentre la seconda, un'ora e 47 minuti dopo, porta la navicella su un'orbita terrestre alta della durata di 24 ore. Dopo tre ore e 24 minuti dal lancio, l'ICPS si separa da Orion.
Durante le 24 ore in orbita terrestre, l'equipaggio esegue controlli vitali e dimostra operazioni di rendezvous nello spazio. Al secondo perigeo, Orion effettua la manovra della Trans-Lunar Injection (TLI), un'accensione prolungata di circa 18 minuti del motore del modulo di servizio (di costruzione europea) che spinge la navicella sulla traiettoria orbitale verso la Luna. Questo lungo processo richiede una quantità significativa di propellente, e ogni fase critica del volo è attentamente calcolata per ottimizzare il consumo.
L'acqua lunare come potenziale carburante per razzi
L'idea di produrre carburante direttamente sulla Luna è un concetto che sta guadagnando sempre più attenzione. L'acqua, composta da idrogeno e ossigeno, è il punto di partenza ideale. Se questa alchimia funzionasse sulla Luna, il polo sud lunare diventerebbe molto più di un semplice centro di ricerca scientifica. Diventerebbe un vero e proprio deposito di carburante, in grado di produrre il proprio propellente anziché doverlo far arrivare dalla Terra con costi elevati. George Sowers, ingegnere meccanico presso la Colorado School of Mines, sottolinea che "i vantaggi di avere abbondanza di carburante prodotto sulla superficie lunare sono enormi".
La ricerca e l'estrazione dell'acqua
Il primo passo per rendere possibile questa visione è capire dove si cela l'acqua sulla Luna. Si ritiene che il polo sud lunare contenga riserve di acqua preziosa, sotto forma di ghiaccio, depositi sotterranei o entrambi. Le aree in ombra permanente, spesso crateri ripidi e profondi che non sono mai esposte alla luce solare e sono tra i luoghi più freddi dell'universo, sono considerate i siti più promettenti. Tuttavia, come afferma Stopar, "l'acqua non è realmente presente sotto forma di ghiaccio. È mescolata al suolo".
L'estrazione di questa acqua dal suolo lunare presenta sfide significative. Le condizioni ambientali estreme, con temperature che possono raggiungere i 120 °C alla luce solare e scendere fino a -250 °C al buio, rendono l'operazione complessa. Tuttavia, se l'acqua nel suolo lunare fosse accessibile e abbastanza abbondante, potrebbe essere estratta. Un metodo proposto da Sowers prevede di "applicare calore direttamente alla superficie e catturare il vapore sotto una cupola chiamata tenda di cattura".
Per fornire il calore necessario, esistono diverse opzioni. La luce solare riflessa è una possibilità, ma sia gli Stati Uniti che la Cina hanno in programma di installare reattori nucleari sulla Luna. Questo permetterebbe di non dipendere dall'energia solare, che può essere piuttosto instabile al polo sud lunare, per sostenere le loro basi.
Negli ultimi anni, le agenzie spaziali e i loro partner industriali hanno ideato diversi modi per utilizzare il calore per recuperare il ghiaccio lunare. Una proposta include l'utilizzo di un motore a razzo, intrappolato sotto una cupola pressurizzata, per scavare crateri più profondi ed estrarre più acqua rispetto ad altri metodi.
Tecnologie di estrazione e purificazione
Una delle tecnologie di estrazione dell'acqua più promettenti è stata sviluppata grazie a un progetto dell'Agenzia Spaziale Europea chiamato LUWEX (Lunar Water Extraction), di cui esiste già un prototipo funzionante. Robot minerari autonomi o astronauti scaricherebbero il suolo ghiacciato nella bocca del marchingegno. Paul Zabel, responsabile del progetto LUWEX, spiega che riscaldare le rocce lunari ghiacciate è piuttosto difficile a causa della mancanza di atmosfera sulla Luna e delle temperature superficiali già spaventosamente basse. Una trappola fredda cattura l'acqua liberata e la trasferisce in un liquefattore, dove sarebbe quasi pronta per essere utilizzata.
Tuttavia, a questo stadio, l'acqua è ancora inquinata da particelle di polvere lunare estremamente fini e simili al vetro. "Ha un aspetto lattiginoso, simile a latte grigio", dice Zabel. Fortunatamente, gli ingegneri del progetto hanno anche progettato un depuratore che sembra fare miracoli.
La NASA sta sviluppando il suo ISRU Pilot Excavator (qui raffigurato in un contenitore di regolite lunare simulata o terreno) per estrarre acqua e altre risorse sulla Luna. Esistono diverse versioni di questo processo che funzionano sulla Terra e sono state testate in vuoti super freddi, una simulazione della superficie lunare.
Anche l'acqua potabile non è abbastanza pura da poter essere separata elettricamente in idrogeno e ossigeno; contiene ancora troppe impurità chimiche per produrre un combustibile pulito. Per LUWEX, "avremmo bisogno di aggiungere un'altra fase di raffinazione", afferma Zabel. Lo studioso osserva che tecnologie di purificazione dell'acqua estremamente efficaci sono comuni sulla Terra. Quindi, una volta ottenuta acqua cristallina, sarà possibile estrarre idrogeno e ossigeno gassosi sottoponendola a un processo di elettrolisi. Zabel spera che tra qualche anno LUWEX possa arrivare al polo sud lunare.
L’elettrolisi
Le sfide tecniche e operative: Lezioni da Artemis I e II
Le missioni del programma Artemis hanno evidenziato la complessità ingegneristica e le sfide tecniche che accompagnano il lancio di razzi di grandi dimensioni. I tentativi di lancio di Artemis II, la prima missione con equipaggio verso la Luna dal 1972, sono stati annullati a causa di problemi emersi durante le prove generali di rifornimento e conto alla rovescia. Questi problemi includevano interruzioni di comunicazione tra i team a terra, telecamere danneggiate dal freddo, una valvola di pressurizzazione per il portello della capsula dell'equipaggio e, in particolare, perdite di idrogeno liquido durante il caricamento del propellente nel razzo.
Questo problema delle perdite di idrogeno non è nuovo; Artemis I aveva riscontrato lo stesso identico inconveniente. Quasi quattro anni prima, nell'aprile 2022, la NASA aveva annullato la terza prova di lancio di Artemis I a causa di perdite di combustibile a idrogeno liquido, costringendo l'agenzia a riportare il razzo SLS al suo edificio di assemblaggio per effettuare le riparazioni. Artemis I non è stato lanciato fino al novembre 2022.
La scelta di utilizzare carburante a idrogeno liquido per l'SLS, imposta dal Congresso USA nel 2010 per basare il razzo sulla tecnologia tradizionale dello Space Shuttle, ha implicazioni significative. I motori RS-25, motori aggiornati e rinnovati dello Space Shuttle, richiedono questo tipo di carburante. Questa decisione, inizialmente presa per risparmiare sui costi, non ha funzionato nella pratica; nel 2023, l'Ufficio dell'Ispettore Generale della NASA ha stimato che il costo dell'SLS è salito a circa 4,2 miliardi di dollari per ogni lancio.
Il problema delle perdite è aggravato dal fatto che l'idrogeno super freddo, dopo il caricamento, si riscalda e finisce per evaporare, necessitando di essere continuamente reintegrato. I team devono identificare esattamente quale guarnizione presenta la perdita e ripararla mentre il razzo è sulla rampa di lancio, un compito tutt'altro che facile. La NASA sta implementando procedure sviluppate durante Artemis I per svolgere questo lavoro senza riportare il razzo al suo edificio di assemblaggio, nella speranza di rispettare le date di lancio previste.
Il futuro dell'esplorazione lunare e l'autosufficienza
Nonostante le sfide, il programma Artemis mira a stabilire una presenza umana duratura sulla Luna. La Luna, con la sua bassa gravità e l'assenza di atmosfera da attraversare, potrebbe diventare una base di partenza per la futura esplorazione del Sistema solare. Il propellente ricavato dall'acqua non sarà utilizzato solo per i razzi, ma potrà anche essere "inserito nelle celle a combustibile per alimentare i rover", come afferma Zabel. E ciò che funzionerà sulla Luna probabilmente funzionerà anche altrove, rendendo la superficie lunare un ambiente autosufficiente, essenziale per gli astronauti che intendono rimanere sul Pianeta Rosso.
Tuttavia, anche se diventasse possibile produrre in massa acqua potabile e, di conseguenza, carburante per razzi sulla Luna, rimarrebbe un problema spinoso senza una soluzione chiara: "Le risorse non sono infinite", afferma Zabel.
Il programma Artemis è organizzato attorno a una serie di missioni SLS, che aumenteranno progressivamente in complessità e sono programmate a intervalli di un anno o più.
- Artemis 1 (2022): Missione di test senza equipaggio di successo del sistema SLS e della navicella Orion, nonché il primo volo di prova per entrambi i veicoli. Orion è stata inserita in un'orbita lunare e poi ha fatto ritorno sulla Terra.
- Artemis 2 (2026): La prima missione con equipaggio del sistema SLS e della navicella Orion. I quattro membri dell'equipaggio effettueranno test approfonditi in orbita terrestre, dopodiché Orion verrà spinta in una traiettoria circumlunare di ritorno libero attorno alla Luna, che la riporterà sulla Terra per il rientro e l'ammaraggio.
- Artemis 3 (2027): Sarà un'esercitazione per l'attracco tra Starship e Orion in orbita terrestre bassa con equipaggio del sistema SLS con una circumnavigazione. In precedenza, Artemis 3 sarebbe dovuta essere la missione del primo allunaggio dall'Apollo 17 del dicembre 1972, ma venne in seguito rinviato per quella successiva, Artemis 4.
- Artemis 4 (2028): Sarà la prima missione di allunaggio con equipaggio. Orion e una versione aggiornata dello Starship HLS attraccheranno alla stazione Lunar Gateway in NRHO prima dell'allunaggio. Una missione di supporto precedente consegnerà i primi due moduli della Gateway alla stessa orbita.
- Artemis 5 (2030): Sarà la seconda missione di allunaggio con equipaggio e porterà quattro astronauti alla stazione Lunar Gateway. Durante la missione verranno consegnati il modulo ESPRIT dell'ESA e il Canadarm3, il braccio robotico canadese del Gateway. Verrà inoltre consegnato il Lunar Terrain Vehicle della NASA.
- Artemis 6 (2031): Sarà la terza missione di allunaggio con equipaggio e integrerà il modulo Crew and Science Airlock Module con la stazione Lunar Gateway.
- Artemis 7 (2032): Sarà la quarta missione di allunaggio con equipaggio e consegnerà sulla superficie lunare la Habitable Mobility Platform (Lunar Cruiser) utilizzando un lanciatore SLS Block 1B.
- Artemis 8 (2033): Sarà la quinta missione di allunaggio con equipaggio e consegnerà sulla superficie lunare elementi logistici e l'habitat di superficie Foundational Surface Habitat, utilizzando un lanciatore SLS Block 1B con il supporto di Blue Origin.
- Artemis 9 (2034): Sarà la sesta missione di allunaggio con equipaggio e trasporterà ulteriori elementi logistici di superficie. Sarà la prima missione a utilizzare un SLS Block 2.
- Artemis 10 (2035): Prevede la consegna di ulteriori materiali logistici sulla superficie lunare e includerà una permanenza a lungo termine degli astronauti sulla Luna.
Per molte missioni del programma Artemis, i due booster a propellente solido del sistema SLS, i quattro motori principali e il motore principale della navicella Orion saranno costituiti partendo dai motori RS-25 e booster già utilizzati, oltre ai motori del Orbital Maneuvering System (OMS) dello Space Shuttle. Si tratta di componenti ricondizionati provenienti dal programma Shuttle, alcuni dei quali risalgono ai primi anni '80. Ad esempio, Artemis 1 includeva componenti volati su 83 delle 135 missioni dello Shuttle.
Le missioni di supporto includono lander robotici, la consegna dei moduli del Lunar Gateway, missioni logistiche per Gateway, la consegna dello Human Landing System (HLS) e degli elementi della base lunare. Sotto il programma Commercial Lunar Payload Services (CLPS), diversi lander robotici consegneranno strumenti scientifici e rover sulla superficie lunare dopo Artemis 1.
Lo Human Landing System (HLS) è un veicolo spaziale in grado di trasportare membri dell'equipaggio dalla NRHO alla superficie lunare, supportarli durante la permanenza e riportarli in orbita. Ogni missione con equipaggio necessita di un HLS, alcuni dei quali potranno essere riutilizzati. Ciascun HLS deve essere lanciato dalla Terra e collocato in NRHO tramite uno o più lanci. Il contratto commerciale iniziale venne assegnato a SpaceX per due missioni Starship HLS: una senza equipaggio e una con equipaggio come parte di Artemis 3. Queste due missioni richiedono ciascuna un lancio HLS e diversi lanci di rifornimento, tutti usando veicoli SpaceX Starship.
Il costo delle missioni lunari: Un investimento nel progresso
Il costo del programma Apollo, che ha portato l'uomo sulla Luna, è stato oggetto di molte discussioni. Secondo le fonti ufficiali statunitensi, il progetto Apollo ha pesato sulle casse dei contribuenti d'Oltreoceano per 20,2 miliardi di dollari, suddivisi in oltre 8 miliardi per lo sviluppo della navicella spaziale Apollo, 10 miliardi per la famiglia di lanciatori Saturn e un paio di miliardi per i costi operativi delle missioni.
Gli esperti concordano che sia corretto includere nel totale anche i costi relativi alle strutture di terra, fra cui ad esempio i centri di addestramento per gli astronauti e di controllo missione, e tutta l'infrastruttura satellitare e terrestre di raccolta e acquisizione dati, per un totale di 5,2 miliardi di dollari. Inoltre, è ragionevole tenere conto anche di tutte le spese relative ai programmi spaziali propedeutici all'allunaggio, fra cui il programma Ranger, il programma Gemini, il programma Lunar Orbiter e il programma Surveyor, per altri 2,6 miliardi, portando il totale a 28 miliardi di dollari.
Adeguando questa spesa all'inflazione odierna, si ottiene un valore che varia. Usando il deflatore dei prezzi, il valore che si ricava è di 169 miliardi di dollari contemporanei, eventualmente scontati a 153 se si escludono le missioni preparatorie. Tuttavia, secondo un calcolo più recente di The Planetary Society, che considera l'indice di inflazione relativo ai soli progetti spaziali (New Start Index), l'equivalente odierno del programma Apollo corrisponderebbe a una spesa di 288 miliardi di dollari. Facendo riferimento all'attuale tasso di cambio euro-dollaro, il range in cui si dovrebbe collocare la spesa sta tra 150 e 250 miliardi di euro.
La domanda se sia stato un investimento sensato ripropone la stessa questione per molti progetti spaziali odierni. Al di là delle questioni politiche interne e internazionali, è importante sottolineare che si tratta di una cifra tutto sommato contenuta. L'allunaggio non può essere considerato come una semplice spesa, bensì come un investimento, soprattutto in termini di ricerca tecnologica.
Basti pensare che oggetti come le coperte termiche impiegate per le emergenze o durante le escursioni sono derivate dalle tecnologie spaziali, così come i filtri per l'acqua ancora oggi usati negli ambienti domestici o nelle aree del mondo dove c'è carenza di acqua potabile. Senza dimenticare gli utensili alimentati a batteria, tutta la tecnologia necessaria per eseguire le Tac, i cibi liofilizzati e pure tutte le calzature tipo-moon boot. E soprattutto, dall'impresa della conquista della Luna è derivata tutta la componentistica di elettronica e micro-elettronica che poi avrebbe trovato applicazione non solo a bordo dei velivoli per trasporto merci e passeggeri, ma anche nei calcolatori e (a seguire) negli smartphone.
Questo valore va al di là di quello simbolico e politico della conquista e del sogno. Oltre a rappresentare una pietra miliare nella nostra capacità di esplorare l'Universo, la corsa alla Luna è stata un modo per incentivare il progresso scientifico, come peraltro vale per molti degli investimenti internazionali nel settore spaziale arrivati nei decenni a venire, Europa inclusa. Uno sforzo, anche economico, più che ben ripagato.
Il nostro satellite: Caratteristiche e fenomeni
La Luna, il nostro satellite naturale, presenta caratteristiche uniche che ne fanno un obiettivo primario per l'esplorazione spaziale. La sua massa equivale a poco più dell'1% di quella terrestre, e la sua gravità è pari a circa lo 0,166 di quella del nostro pianeta. Sulla Luna, le temperature oscillano tra valori limite di -248 °C e i 123 °C, condizioni estreme che mettono a dura prova qualsiasi tecnologia.
Una delle peculiarità della Luna è che ci mostra sempre la stessa faccia. Questo accade perché il tempo che impiega per ruotare su se stessa è lo stesso che impiega per girare intorno alla Terra, circa 27 giorni. Come a dire: un giorno e un anno hanno la stessa durata sulla Luna. La faccia che la Luna non ci mostra non è affatto oscura, ma viene illuminata tutta, tanto che, come affermano dalla NASA e ripetono gli esperti da tempo, più correttamente si dovrebbe parlare di faccia nascosta.
Le analisi compiute per la prima volta grazie alla sonda sovietica Luna 3 mostrarono che la faccia nascosta della Luna appariva piuttosto diversa da quella visibile, in particolare è più densamente popolata di crateri. La superficie lunare appare densamente "bucherellata" a causa degli impatti di comete e asteroidi subiti nella sua lunga storia. L'assenza di atmosfera e di processi geologici paragonabili a quelli terrestri permette di renderli ancora così visibili. Anche le impronte lasciate dai moonwalker e le tracce degli astronauti della missione Apollo 15 sono ancora ben visibili in assenza di pioggia e vento, riprese dalla sonda Lunar Reconnaissance Orbiter.
La Luna riflette la luce solare, un'affermazione ovvia ma spesso oggetto di comune misconcezione, tanto che la NASA la include tra le più diffuse idee sbagliate sul nostro satellite. Fenomeni come la "superluna", un termine poco scientifico che identifica una luna piena che ha luogo in prossimità del perigeo (il punto lungo l'orbita in cui il satellite è più vicino alla Terra), o la "microluna" (quando si verifica una luna piena all'apogeo, il punto più distante), sono diventati quasi popolari. Tuttavia, le variazioni in luminosità e grandezza che si osservano per le lune piene nei punti estremi dell'orbita intorno alla Luna non sono praticamente apprezzabili a occhio nudo alla maggior parte degli osservatori. La distanza media della Luna dalla Terra è di 384.000 km.
Origine della Luna
Nel corso degli anni sono state avanzate diverse ipotesi per spiegare l'origine della Luna. La più accreditata è quella che vede la Luna come il prodotto di una collisione tra la Terra e un oggetto grande più o meno quanto Marte. Questa teoria, nota come ipotesi dell'impatto gigante, suggerisce che i detriti generati dall'impatto si siano poi aggregati per formare la Luna. Questa ipotesi è supportata da analisi dei campioni lunari e da simulazioni al computer, che spiegano la composizione chimica della Luna e la sua orbita attuale.