Le comunicazioni tra Marte e la Terra

In due precedenti articoli (qui la prima parte e qui la seconda) abbiamo visto quali sono i problemi principali delle future missioni umane su Marte.

Si tratta in alcuni casi di problemi che la Fantascienza bypassa, nasconde, ignora o semplifica, abituando i lettori (nel caso di libri) o i cinefili (nel caso di film o serie TV) a situazioni che sono lontanissime dalla realtà.

In questa occasione parlerò delle comunicazioni che avvengono tra il centro di controllo sulla Terra e le varie sonde o gli astronauti, vicini o lontani nello spazio.

Una doverosa premessa è che queste trasmissioni viaggiano sempre alla velocità della luce per raggiungere il destinatario in tempi che dipendono esclusivamente dalla distanza tra gli interlocutori, umani o meccanici che siano.

Comunicazione con astronauti in missioni lunari

Premetto che le comunicazioni con gli astronauti a bordo della ISS avvengono quasi istantaneamente visto che la Stazione Spaziale Internazionale di trova ad appena 400km dalla superficie terrestre.

Invece, quelli di voi che, come il vostro pignolone, hanno assistito alle missioni Apollo oppure i più giovani che hanno seguito le più recenti missioni Artemis, avranno forse notato che le comunicazioni tra la Terra (i tecnici del centro di Controllo di Houston) e gli astronauti a bordo delle capsule spaziali, avvengono comunque in modo quasi istantaneo, ma con un piccolissimo ritardo.

Questo ritardo dipende ovviamente dal percorso compiuto dal segnale: la Luna è lontana dalla Terra 384000 km in media e per percorrere questa distanza un segnale impiega 1.3 secondi. Praticamente neanche in questo caso ci si accorge di questo piccolo ritardo, completamente assente nelle comunicazioni di tutti i giorni tramite i nostri cellulari.

Le sonde spaziali lontane

Avete presente le sonde spaziali che viaggiano nelle zone più lontane del Sistema Solare? Ad esempio la sonda New Horizons, nel suo viaggio verso Plutone ed oltre, ha sempre richiesto tempi di trasmissione molto lunghi: quando si trovava in vicinanza del pianeta nano, ci volevano quasi 5 ore per far arrivare un comando alla sonda ed altrettante per ricevere risposta (da un semplice “ok” ad un’immagine appena ripresa).

Nel caso di immagini, il tempo di ricezione poi richiede tempi aggiuntivi dovuti alla velocità di trasmissione utilizzata ed all’ampiezza in MB delle immagini trasmesse.

Proprio per ovviare a questi ritardi, la sonda era stata programmata per agire autonomamente.

Infatti durante la fase critica di massimo avvicinamento a grandissima velocità, tutte le immagini venivano riprese automaticamente dalla sonda (senza necessità di comandi da Houston) e memorizzate all’interno del computer di bordo, per poi essere trasmesse tutte insieme nel corso delle ore successive, sempre automaticamente e cioè senza aspettare comandi ritardati dalla Terra.

Arriviamo ora a Marte

In termini di distanza, Marte si trova decisamente più lontano della Luna, ma molto più vicino di una sonda dalle parti di Plutone.

In questo caso, ritroviamo i minuti citati nelle due puntate precedenti per il tragitto di sola andata di una comunicazione: quando Marte e la Terra sono alla minima distanza il segnale impiega circa 4 minuti, che diventano circa 24 quando i due pianeti si trovano alla massima distanza. Bene!

Sto parlando sempre e comunque di ritardi di minuti, non di pochi secondi né di qualche ora, ma che non sono comunque importanti: con il cronometro del vostro cellulare guardate quanto durano effettivamente i 24 minuti o meglio la cinquantina di minuti nel caso peggiore tra l’invio di una domanda e la ricezione di una risposta! Un’eternità! Tanto vale fare una passeggiata nel frattempo.

Adesso arriva il bello, o meglio un grosso problema

Finora abbiamo sempre considerato il tragitto Terra-Marte nello spazio aperto, senza nessun tipo di ostacoli e senza troppo pensarci abbiamo digerito che la durata del ritardo va da 4 minuti nel caso della distanza minima ed arriva a 24 minuti nel caso i due pianeti si trovino alla distanza massima.

Ma mentre la minima distanza tra Terra e Marte si ha effettivamente nello spazio aperto, viceversa nel caso della massima distanza sul tutto incombe una minacciosa presenza, assolutamente non trascurabile: il nostro Sole.

Iniziamo dalla situazione di distanza minima. Ho rappresentato le due orbite della Terra e di Marte intorno al Sole con una scala approssimata, con quella del pianeta rosso leggermente più schiacciata e supponendo che siano complanari, mentre in realtà l’orbita di Marte è inclinata di qualche grado rispetto al piano dell’orbita terrestre. Anche con queste approssimazioni il discorso però rimane valido.

L’orbita di Marte è più distante dal Sole di quella della Terra (una volta e mezza) ed ho praticamente fotografato una situazione in cui la Terra si trova nel punto T, mentre Marte si trova nel punto A, alla minima distanza da noi.

In corrispondenza della situazione “A T” il percorso tra la Terra (T) e Marte (A) è il più breve ed è diretto, senza nessun ostacolo interposto: una trasmissione impiega, come detto oramai tantissime volte, 4 minuti.

Osserviamo ora la situazione “T B” in cui stavolta la Terra (T) e Marte (B) si trovano alla massima distanza: ora il percorso è il più lungo possibile ma c’è un intruso lungo il cammino, il Sole!

E questo è un dettaglio di non poco conto, che l’autore dell’articolo originario ha completamente dimenticato, oppure (malignando) non l’immaginava nemmeno.

In questa situazione (a prescindere dalla scala che ho utilizzato nel disegno solo per mostrare Sole e pianeti) il Sole è davvero un ostacolo insormontabile che impedisce completamente la corretta trasmissione di messaggi tra T e B: i messaggi inviati subirebbero fortissime interferenze e distorsioni da parte della nostra stella.

Sempre con gli ovvi problemi di scala, questa situazione completamente nefasta non si ha solo nei punti T e B per Terra e Marte, ma bisogna tenere conto del moto dei due pianeti ognuno lungo la propria orbita (le due frecce colorate disegnate a fianco delle orbite tratteggiate). La Terra viaggia più velocemente lungo la sua orbita (indovinate un po’, in un anno, 365 giorni), mentre Marte impiega molto di più (687 giorni) e quindi ci sono due punti, due momenti di ognuna delle due orbite in cui rispettivamente inizia e finisce l’interferenza da parte del Sole.

In questo diagramma

ho indicato con T1 e T2 i momenti in cui inizia l’interferenza del Sole nei riguardi di Marte visto dalla Terra, mentre in B1 e B2 ho indicato (sempre non in scala ma in maniera puramente indicativa) i momenti corrispondenti in cui si ha la situazione opposta da Marte verso la Terra: il Sole non dà tregua in quella zona stavolta vagamente trapezoidale (T1 T2 B1 B2) dove è assolutamente impossibile (perché inutile) inviare trasmissioni tra i due pianeti.

Ripeto ancora una volta che ci sono approssimazioni nei vari diagrammi, ma quello che conta è il principio che sta alla base di queste considerazioni: il periodo di tempo tra i due punti T1 e T2 (corrispondentemente tra B1 e B2) è davvero enorme, tra i 12 e i 14 giorni a seconda della posizione dei pianeti nella loro orbita!

Avete letto bene! Tra i 12 e i 14 giorni! Non c’è scampo…

Questo significa che con l’approssimarsi degli istanti di inizio (T1 e B1) le trasmissioni devono assolutamente interrompersi ed i tempi indicati (12-14 giorni) possono anche aumentare di un altro paio di giorni nel caso la corona solare sia particolarmente attiva, come in questo periodo di massimo solare, ed in funzione della geometria vera della posizione dei pianeti nello spazio.

Davvero un grosso guaio

Dovrebbe apparire molto chiara la situazione che si verificherà prima o poi nel corso delle missioni verso Marte e sarà completamente differente dalla gestione attuata ad esempio con i rover sulla superficie di Marte o le sonde in orbita.

Per le sonde e i rover, semplicemente le comunicazioni vengono correntemente interrotte per un certo periodo di blackout durante il quale le sonde non possono inviare dati e foto scattate, ma devono procedere autonomamente nella loro attività schedulata, memorizzando tutte le informazioni raccolte (come faceva la New Horizons, ma per ben altri motivi!). L’invio di questi dati  viene sempre e dunque rimandato al momento in cui Marte esce dalla zona di interferenza, spostandosi nella sua orbita così come fa contemporaneamente la Terra. Si tratta di una soluzione che per le sonde non crea problemi: basta saperlo in anticipo e istruire opportunamente i dispositivi in volo o sulla superficie.

Ma per l’equipaggio umano in missione su Marte significherebbero ulteriori periodi di forte stress, vista l’impossibilità di comunicare con i tecnici di Houston, per giunta con ritardi di trasmissione che comunque arrivano intorno ai 24 minuti che ben conosciamo. Si deve trovare una soluzione, assolutamente…

Fermiamoci un attimo e torniamo alla Luna

Sappiamo che con le missioni Apollo prima e con le missioni Artemis recentemente, si verificava un simile blackout, però di circa una quarantina di minuti in cui erano impossibili le comunicazioni con Houston: la colpa è della Luna che in questa situazione agisce come uno schermo che blocca tutte le trasmissioni. Basta avere pazienza sperando sempre che non ci siano in ballo situazioni d’emergenza. Una soluzione tollerabile che non comporta spese aggiuntive.

In realtà invece i tecnici spaziali cinesi avevano già trovato una brillantissima soluzione in occasione dello sviluppo della missione Chang’e 4, il cui rover è atterrato sulla faccia nascosta della Luna: in questo caso la sonda sarebbe stata sempre impossibilitata a ricevere e trasmettere dati al controllo della missione. Sempre per colpa della Luna…

I progettisti cinesi hanno brillantemente risolto il problema posizionando un satellite (chiamato Queqiao) al di là della Luna e sempre visibile dalla Terra, che funge da ponte radio per tutte le trasmissioni: lanciato in precedenza e posizionato tecnicamente nel punto lagrangiano L2 del sistema Terra-Luna (proprio dove si trova il mitico JWST), questo satellite consente in ogni momento le trasmissioni, introducendo inevitabilmente un ritardo causato dal nuovo percorso dei segnali (rover-satellite a cui si somma il tratto satellite-Terra e viceversa).

Poca cosa, rispetto alle nuove possibilità che questo ulteriore aumento dei costi ha comportato per la missione. Bravi cinesi!

Perché non seguire l’esempio dei cinesi nel caso di Marte?

Tirando le somme, per le comunicazioni Terra-Marte ci sono in ballo dei progetti che hanno il compito di ovviare al severo problema del blackout: sono in fase avanzata e  dovrebbero prevedere una rete di satelliti per le comunicazioni.

In effetti, però, posizionare anche stavolta un satellite che funga da ponte radio al di là di Marte (nel punto Lagrangiano L2, che ho indicato nella prossima figura) non risolve il problema, perché i segnali subirebbero sempre le stesse distorsioni e interferenze da parte del Sole…

Direi che la soluzione è posizionarlo in un altro punto Lagrangiano (ad esempio L4) dove non si avrebbe interferenza nel periodo di blackout e il centro di Houston dovrebbe puntare le sue antenne proprio verso il ponte radio. Ma solamente nel periodo in cui Marte si trova dalle parti del punto B, in congiunzione con il Sole.

In questa situazione i messaggi verso Marte seguirebbero il percorso “T L4 B” e ovviamente “B L4 T” al contrario…

Chiederò ai miei amici Pico de Paperis e Archimede Pitagorico di calcolare quanto sarebbe in questo caso il ritardo nei segnali, comunque accettabile rispetto ad un blackout totale!

Meglio ancora: l’IA (quella buona) di google su mia richiesta ha calcolato un incremento del ritardo di altri 4-5 minuti: in questo modo viene completamente scongiurato il blackout, visto che il ponte radio situato in L4 è sempre visibile sia da Terra che da Marte!

Dobbiamo solamente rimanere sintonizzati per conoscere l’evoluzione e la soluzione di questo problema molto grave…