Anno 2015. Immaginate di essere l’ingegnere capo della NASA e di dover progettare una base nel cratere di Shackleton, al polo sud lunare. Per di più, state studiando un sistema di comunicazione che permetterà agli astronauti di mantenere un contatto radio costante con la Terra.
Base lunare nel cratere Shackleton
Saprete bene che le trasmissioni dirette non funzioneranno, o per lo meno, non sempre. Vista dal cratere di Shackleton, la Terra rimane sotto l’orizzonte per due-tre settimane al mese (dipende dalla posizione della base). Ciò ostruisce tutti i segnali radio, che viaggiano a linea di sguardo.
La soluzione sembrerebbe ovvia. Piazzare un satellite ad alta quota in orbita circolare polare. Meglio ancora, disporre tre satelliti sulla stessa orbita a 120 gradi di differenza. Due di loro sarebbero sempre sopra l’orizzonte lunare per trasmettere i messaggi da e verso la Terra.
Ma questo è solo uno dei problemi.
“Le orbite lunari circolari ad alta quota sono instabili,” afferma Todd A. Ely, ingegnere capo al JPL della NASA. “Se mettiamo un satellite in un’orbita circolare lunare a un’altitudine di circa 1200 Km, si schianterà sulla superficie lunare o sarà spazzato via in un’orbita iperbolica.” A Seconda dell’orbita scelta, questo potrà accadere più o meno rapidamente, al massimo entro qualche decina di giorni.
Responsabile di questo effetto devastante è la massa terrestre. La gravità della Terra, a una media di soli 400.000 Km di distanza dalla Luna, strattona costantemente i satelliti ad alta quota. Per un’orbita lunare superiore a 1200 Km, l’attrazione della Terra è abbastanza forte da mettere una sonda spaziale fuori dai giochi.
I satelliti in orbita attorno alla Terra non avvertono questa specie di interferenza da parte della Luna. Essa possiede solo 1/80° della massa terrestre, appena poco più dell 1%. Mettendo in relazione i due corpi celesti in termini gravitazionali, la Luna è una nullità. In effetti, per ogni satellite in orbita terrestre, l’ attrazione gravitazionale del Sole risulta 160 volte più forte di qualunque influenza lunare.
Ogni satellite lunare piazzato a più di 1200 Km di $altezza$ si trova quindi in una specie di tiro alla fune celeste fra la Luna e Terra. L’attrazione della Terra può cambiare la forma di un’orbita da una circonferenza ad un ellisse allungato.
Le orbite lunari circolari stabili esistono al di sotto di un’inclinazione di 39.6º, dice Ely, ma solo in prossimità dell’equatore, risultando inservibili per missioni che necessitano della copertura dei poli”.
La NASA vuole esplorare le regioni polari della Luna per molte ragioni — non ultima è che i profondi crateri polari potrebbero contenere ghiaccio, che gli astronauti potrebbero raccogliere per bere o scindere in idrogeno e ossigeno per generare combustibile. L’instabilità delle orbite polari pone un vero problema per le esplorazioni.
Ma ci sono delle novità. Ely e diversi colleghi hanno scoperto una nuova categoria di orbite, dette “congelate” (descritte in questo articolo). Sono tutte orbite inclinate rispetto al piano equatoriale della Luna, in modo che arrivino a coprire i poli lunari e – sorpresa – sono anche abbastanza ellittiche.
“Per una copertura ottimale del polo sud, si ha bisogno di un’orbita con un’eccentricità di circa 0.6, che è abbastanza ovale,” dice Ely. Un’eccentricità di 0 è pari ad un cerchio, lungo il quale viaggia un satellite ad una velocità costante attorno al centro di un corpo primario (ad esempio, la Luna). Con la Terra nelle vicinanze, questa configurazione è fuori discussione: “un’orbita circolare inclinata sarebbe come dare alla Terra carta bianca per decidere le sorti del satellite,” asserisce Ely.
Un’eccentricità di 0.6, invece, corrisponde a una forma ovale simile ad un pallone da football americano con le estremità arrotondate; la Luna si troverebbe su un fuoco dell’ellisse. “L’orbita ellittica rende il satellite molto più stabile e resistente alle forze esercitate dalla Terra,” spiega Ely. Ma quanto sono stabili? Ebbene, Ely e i suoi colleghi hanno calcolato che determinate orbite lunari ad alta quota, ellittiche e ad inclinazione elevata, possono rimanere stabili per periodi di almeno un secolo. In realtà, Ely suppone che le orbite potrebbero durare per un tempo indefinito.
Per il problema comunicazioni cui si accennava ad inizio pagina, Ely suggerisce di mettere sulla stessa orbita tre satelliti, distanziati a 120º e con un’inclinazione di 51º. Ogni satellite, a rotazione, avrebbe un periasse (avvicinamento massimo alla superficie lunare) di 700 Km dal polo nord lunare, e ciascuno si soffermerebbe per 8 ore (delle 12 totali per un orbita) a 8.000 Km sopra l’orizzonte del polo sud lunare. In questa configurazione, due dei tre satelliti garantirebbero costantemente il $contatto$ visivo (e quindi radio) tra la base lunare e la Terra.
Orbite inclinate e vertiginosamente ellittiche che sono meno costose e più stabili per la comunicazione satellitare intorno alla Luna? Per gli ingegneri satellitari, abituati a pensare in termini di orbite equatoriali circolari, “questo è un nuovo modello”, conclude Ely.
Fonte: http://science.nasa.gov/headlines/y2006/30nov_highorbit.htm
