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Perché le stazioni spaziali ruotano solo nella fantascienza?

Perché le stazioni spaziali ruotano solo nella fantascienza?

Eleganti nella loro simmetria e forma circolare, volteggiano nel cosmo in tante illustrazioni classiche di progetti spaziali e film di fantascienza, accompagnate magari dalle note del Danubio blu: sono le stazioni spaziali e le astronavi che ruotano su se stesse, usando l’effetto centrifugo per simulare la gravità nello spazio.

Erano un’idea prediletta di grandi nomi della ricerca spaziale come Konstantin Tsiolkovsky e Wernher Von Braun, furono proposte seriamente negli anni Settanta dalla NASA, e hanno costellato decenni di iconografia fantascientifica, da 2001 Odissea nello spazio a Elysium a The Martian a Interstellar. Ma non sono mai diventate realtà, nonostante un pedigree tecnico così autorevole, e probabilmente non lo diventeranno mai. Perché?

Un po’ di storia

Il russo Konstantin Tsiolkovsky, scienziato e pioniere della teoria dei voli spaziali, concepì l’idea di usare la rotazione per creare gravità artificiale nello spazio già nel 1903, quasi sei decenni prima del primo volo spaziale umano. La forma a ruota fu proposta nel 1929 dallo sloveno Herman Noordung (Herman Potočnik) nel suo studio Das Problem der Befahrung des Weltraums (Il problema del volo spaziale).

Il tedesco Wernher Von Braun, progettista chiave dei programmi spaziali statunitensi, immaginò negli anni Cinquanta una stazione a forma di ruota avente un diametro di 76 metri, che avrebbe ruotato su se stessa tre volte al minuto producendo sul proprio bordo, costituito da un tubo semirigido gonfiabile abitato su tre livelli, una gravità simulata equivalente a un terzo di quella terrestre. Questa stazione sarebbe stata l’avamposto dal quale sarebbero partite le missioni verso la Luna e i pianeti.

Le illustrazioni di questa ruota spaziale nella popolarissima rivista statunitense Colliers Magazine, realizzate da grandi artisti come Chesley Bonestell e accompagnate da articoli che ne divulgavano le caratteristiche tecniche con invidiabile ottimismo, cementarono quest’idea nell’immaginario collettivo.

La stazione rotante circolare proposta da Von Braun nel 1952 e illustrata da Chesley Bonestell. Foto NASA MSFC-75-SA-4105-2C.

Nei piani di Von Braun, la stazione spaziale sarebbe stata dotata di un grande collettore solare (la struttura semicircolare appoggiata sopra l’anello abitativo) e sarebbe stata alimentata, secondo i disinvolti standard dell’epoca, da un reattore nucleare situato nella porzione centrale.

L’idea della stazione a forma di ruota fu poi trasposta sul grande schermo in modo memorabile dal regista Stanley Kubrick in 2001 Odissea nello spazio (1968), film nel quale anche l’astronave interplanetaria Discovery è dotata di una sezione rotante per creare a bordo una zona dotata di gravità apparente.

La stazione spaziale rotante di 2001 Odissea nello spazio (1968).

La sezione rotante dell’astronave Discovery di 2001 Odissea nello spazio (1968).

Studi della NASA svolti negli anni Settanta svilupparono in dettaglio l’idea del toroide di Stanford, ossia di una gigantesca struttura toroidale, con un diametro di 1,8 chilometri, messa in rotazione alla velocità di un giro al minuto per produrre nella zona periferica un effetto equivalente alla gravità terrestre e capace di ospitare alcune migliaia di persone.

Il toroide di Stanford (1975), al di sotto del quale è posizionato un colossale specchio per illuminare l’interno. Fonte: Wikipedia.

La corsa alla Luna, tuttavia, fece mettere da parte queste tappe intermedie in favore di veicoli capaci di raggiungere le proprie destinazioni direttamente, senza passare da una stazione. I budget sempre più scarsi erogati dai governi alle agenzie spaziali negli anni successivi agli sbarchi umani sulla Luna stroncarono queste ambiziose strutture rotanti. Al loro posto furono realizzate stazioni spaziali non rotanti, come le Salyut e Mir sovietiche, lo Skylab statunitense, la Tiangong cinese e la Stazione Spaziale Internazionale.

La stazione Skylab statunitense.
La stazione spaziale sovietica Salyut 7.

La stazione spaziale sovietica Mir.

Illustrazione di una stazione spaziale cinese della serie Tiangong e di un veicolo spaziale Shenzhou.

La Stazione Spaziale Internazionale nel 2009.

Mal di spazio

La condizione di assenza di peso o di caduta libera continua che si verifica in un veicolo spaziale orbitante attuale lo rende ideale per qualunque esperimento in microgravità, come avviene oggi sulla Stazione Spaziale Internazionale, ma comporta numerosi svantaggi che renderebbero molto desiderabile una forma di gravità artificiale.

L’assenza di peso prolungata è infatti deleteria per l’organismo umano, perché altera la distribuzione dei fluidi corporei, atrofizza i muscoli, indebolisce le ossa, deforma il bulbo oculare riducendo la vista a volte in maniera permanente, deprime il sistema immunitario e causa nausea e perdita dell’equilibrio al momento del ritorno in gravità. Arrivare su Marte dopo qualche mese di viaggio e non riuscire a stare in piedi, non vederci bene o vomitare dentro la tuta spaziale sarebbe imbarazzante.

Lo stato di caduta libera è anche una complicazione drammatica in caso di ferite aperte o interventi chirurgici: il sangue rilasciato si disperde infatti in tutte le direzioni come una fontana, occultando il campo operatorio invece di defluire e imbrattando qualunque superficie circostante.

Questa assenza di peso è inoltre fonte di disagi in moltissime attività quotidiane, come l’uso dei servizi igienici (liquidi e solidi devono essere aspirati, non sempre con risultati efficaci) e l’igiene personale (un bagno o una doccia sono praticamente impossibili), e complica la progettazione e costruzione di propulsori (il propellente fluttua invece di assestarsi sul fondo del serbatoio, creando irregolarità di alimentazione e sciabordii interni destabilizzanti) e degli impianti di ventilazione: l’aria scaldata dal calore corporeo rimane tutt’intorno alla persona invece di allontanarsi per convezione e lo stesso vale per l’anidride carbonica esalata, obbligando l’uso di sistemi di circolazione forzata.

Una stazione spaziale o un veicolo interplanetario che avesse una sezione rotante abitabile, per esempio un anello o dei moduli separati, risolverebbe tutti questi problemi. Eppure la Stazione Spaziale Internazionale non ruota e nessuno dei veicoli spaziali progettati per futuri viaggi interplanetari integra sezioni rotanti. Non è questione di costi: è un problema di fisica di base.

Forze inattese


L’ostacolo principale all’uso di stazioni e veicoli spaziali rotanti è il nostro senso dell’equilibrio. L’orecchio interno è estremamente abile nel percepire il movimento e la gravità, e muoversi all’interno di un corpo rotante significa subire l’effetto Coriolis, che devia ogni oggetto che vari la propria distanza dal centro di rotazione. Un astronauta che si alzasse in piedi o si abbassasse all’interno di una centrifuga spaziale verrebbe colpito da attacchi di nausea, perché i fluidi dell’orecchio interno verrebbero deviati da questo effetto rispetto alla “verticale” locale, mandando al cervello segnali contraddittori continui.

Lo stesso avverrebbe per ogni rotazione del capo, e inoltre un astronauta che camminasse in direzione opposta al senso di rotazione annullerebbe l’effetto centrifugo e si troverebbe improvvisamente a fluttuare. Sarebbe una situazione decisamente disorientante.

Questi fenomeni diminuiscono man mano che aumenta la dimensione della struttura rotante, ma per farli diventare trascurabili sarebbero necessari diametri enormi, dai cento metri in su, con vertiginosi aumenti dei costi e difficoltà tecniche altrettanto critiche.

Ruote sbilanciate

Una struttura rotante, inoltre, si troverebbe soggetta a squilibri e sollecitazioni derivanti dalla distribuzione non uniforme delle masse e al loro spostamento al suo interno: è il motivo per cui è necessario effettuare il bilanciamento delle ruote delle automobili. Gli oggetti a bordo dovrebbero essere disposti in modo perfettamente bilanciato e un astronauta che si spostasse da una parte all’altra della stazione o astronave rotante produrrebbe delle forze che tenderebbero ad alterare l’asse di rotazione. Lo stesso varrebbe per qualunque trasferimento di masse o fluidi da una parte all’altra della struttura: un dettaglio cruciale, spesso dimenticato con disinvoltura dai film di fantascienza.

Ancora una volta, per evitare che queste forze facessero oscillare il veicolo o la stazione in maniera incontrollata e irregolare sarebbe necessario avere diametri e masse enormi o complessi sistemi di compensazione della distribuzione delle masse, con costi e difficoltà realizzative attualmente insostenibili.

In Interstellar, il veicolo spaziale Endurance mantiene magicamente una rotazione stabile nonostante sia stata fortemente sbilanciata dalla colossale stupidità di Matt Damon.

Finestrini, giunti ed attracchi da incubo

Avere una stazione o un veicolo spaziale interamente rotante significherebbe che un astronauta che guardasse fuori da un finestrino vedrebbe tutto il cielo girargli intorno costantemente: un effetto sicuramente disorientante e sgradevole, che oltretutto renderebbe impraticabile qualunque attività di navigazione basata sulla posizione delle stelle. Amedeo Balbi presenta questo grafico del rapporto fra raggio della stazione e velocità di rotazione in questo suo video a 9:45. Una stazione con un diametro di due chilometri dovrebbe fare un giro al minuto, correndo come la lancetta dei secondi sul quadrante di un orologio.

La rotazione renderebbe inoltre complicatissimo qualunque attracco di un veicolo di rifornimento o di trasferimento di astronauti: sarebbe necessario fermare la rotazione per ogni distacco o attracco, causando sollecitazioni alla struttura e producendo scompiglio a bordo (qualunque oggetto non vincolato continuerebbe a ruotare e “cadrebbe” lateralmente).

La soluzione mostrata con kubrickiana eleganza in 2001 Odissea nello spazio, ossia far ruotare il veicolo che deve attraccare alla stessa velocità alla quale ruota la stazione spaziale, richiederebbe un allineamento assiale perfetto e un’altrettanto perfetta corrispondenza delle velocità di rotazione. Ma un attracco orbitale è già ora una manovra cruciale e complicatissima senza introdurre tutte queste difficoltà aggiuntive.

Si potrebbe concepire una stazione oppure un veicolo spaziale avente soltanto alcune porzioni che ruotano: questo risolverebbe i problemi di attracco (i veicoli in visita attraccherebbero alla parte non rotante) e di disorientamento e navigazione stellare (i finestrini e gli strumenti di puntamento delle stelle sarebbero situati solo nella parte non rotante).

Tuttavia questo introdurrebbe un altro problema tecnico: sarebbe infatti necessario costruire un giunto rotante perfettamente ermetico fra la parte rotante e quella fissa. Da questo giunto dovrebbero passare inoltre tutti i cavi di alimentazione e le condotte di trasporto dei fluidi. Qualunque malfunzionamento di questo giunto comprometterebbe l’intera stazione o astronave. Ancora una volta, la complessità realizzativa sarebbe così elevata da rendere rischioso e poco praticabile questo approccio.

Soluzioni alternative

L’idea delle stazioni o astronavi rotanti sembra insomma destinata a restare sulla carta o sullo schermo. Ma esistono altri metodi per ottenere lo stesso risultato di gravità artificiale senza tutti gli effetti negativi descritti fin qui.

Uno è già stato sperimentato, sia pure in maniera modesta: nel 1966 la missione statunitense Gemini 11 unì con un cavo di 30 metri la capsula con gli astronauti al vettore Agena senza equipaggio, e l’insieme fu messo in lenta rotazione, a 0,15 giri al minuto, come delle bolas.

Il vettore Agena collegato con un cavo alla capsula Gemini 11 nel 1966 durante un esperimento di gravità artificiale. Fonte: JSC Digital Image Collection.

Questo produsse a bordo della capsula 0,0005 g: pochissimo, ma comunque sufficiente a dimostrare la fattibilità di un veicolo nel quale la parte abitata ruota all’estremità di un cavo intorno a una massa centrale. Una struttura del genere minimizza i problemi di equilibratura e riduce enormemente le masse in gioco, rendendola più fattibile con i vettori di lancio attuali e consentendo un arresto della rotazione per gli attracchi.

Un’altra soluzione, ancora più elegante, è sottoporre il veicolo a una propulsione continua: finché il motore è acceso, tutto a bordo sarà soggetto a un’accelerazione lungo l’asse di spinta. Non ci sarebbe nessun effetto Coriolis e si interromperebbe la gravità artificiale semplicemente spegnendo il propulsore. I motori chimici tradizionali non sono in grado di funzionare continuamente, ma i propulsori ionici (già in uso su sonde come Dawn o BepiColombo) possono farlo, anche se attualmente erogano spinte modestissime e quindi produrrebbero gravità artificiali molto lievi.

La terza alternativa è utilizzare la gravità naturale: la massa di un asteroide come Cerere o Vesta, per esempio, genera spontaneamente circa un cinquantesimo della gravità terrestre. Ma la propulsione necessaria per variare la traiettoria di un oggetto così massiccio è, almeno per ora, irrealizzabile.

Con somma gioia di Mel Brooks e di tutti i suoi fan, insomma, forse un giorno ci troveremo ad andare verso Marte a bordo di bolas spaziali.

Questo mio articolo è stato pubblicato per la prima volta su carta sulla rivista Spazio Magazine dell’Associazione ADAA, è stato aggiornato rispetto alla versione iniziale e vi arriva gratuitamente e senza pubblicità grazie alle donazioni dei lettori di questo blog. Se vi è piaciuto, potete incoraggiarmi a scrivere ancora facendo una donazione anche voi, tramite Paypal (paypal.me/disinformatico), Bitcoin (3AN7DscEZN1x6CLR57e1fSA1LC3yQ387Pv) o altri metodi.

Come ci si salva da un razzo in fiamme?

Come ci si salva da un razzo in fiamme?

I decenni passano e le tecnologie si evolvono, ma alla fine ogni astronauta che parte per un volo spaziale si trova sempre nella stessa situazione: sigillato dentro una piccola cabina che sta appollaiata sopra alcune centinaia di tonnellate di propellente altamente infiammabile. Propellente che bisogna oltretutto accendere per poter partire. Il lancio di un vettore spaziale è in sostanza una gigantesca esplosione controllata.

Ma cosa succede se diventa un’esplosione incontrollata?

Puntali salvavita

Nella maggior parte dei vettori spaziali per equipaggi è presente un Launch Escape System o LES, che tradotto letteralmente significa “sistema di fuga dal lancio”. Di solito è costituito da uno o più motori a razzo ad altissima accelerazione, capaci di sollevare l’abitacolo intero, catapultarlo rapidamente a distanza di sicurezza dal razzo vettore e portarlo a una quota sufficiente a consentire l’apertura di uno o più paracadute per ottenere un atterraggio morbido sulla terraferma. Quei puntali sottili in cima alla maggior parte dei razzi che trasportano equipaggi sono dei LES.

La sommità di un vettore Soyuz mostra il sistema di evacuazione d’emergenza SAS (il puntale con i quattro ugelli rossi); il veicolo spaziale è all’interno della carenatura. Credit: Carla Cioffi, Wikimedia Commons, 2011.

Ovviamente si spera sempre di non doverli usare, ma a volte succede. Nel 1983, il vettore Soyuz-U della missione sovietica Soyuz T-10-1 s’incendiò poco prima del lancio e il suo LES (o SAS, dalle iniziali di Sistema Avariynogo Spaseniya) fu attivato dai controllori della missione solo due secondi prima che il razzo esplodesse.

I due cosmonauti a bordo, Vladimir Titov e Gennady Strekalov, si salvarono, sopportando un’accelerazione di ben 17 g per circa cinque secondi e ricadendo a circa quattro chilometri di distanza, mentre i resti del vettore bruciavano sulla rampa di lancio.

Militari russi osservano l’unico uso di un sistema di evacuazione d’emergenza da parte di un equipaggio: Titov e Strekalov, Soyuz T-10-1, 1983.

Anche gli americani, all’inizio del proprio programma spaziale con equipaggi, adottarono un LES a forma di puntale per le missioni Mercury e Apollo. Furono più fortunati dei russi, perché non ebbero mai la necessità di attivarli.

Il puntale con il sistema di evacuazione d’emergenza di Apollo 11. Foto NASA AP11-69-HC-718.

I veicoli statunitensi della serie Gemini, invece, fecero a meno di questo puntale di salvataggio, perché adottarono un sistema differente. Sollevare e accelerare un intero abitacolo richiede motori molto potenti, che però costituiscono una zavorra se non vengono utilizzati: nel caso delle missioni Apollo, per esempio, il LES pesava ben 3,6 tonnellate. Così le Gemini usarono una soluzione più snella e leggera: dei seggiolini eiettabili.

Specifiche del seggiolino eiettabile dei veicoli spaziali Gemini.

Illustrazione dell’espulsione degli astronauti da un veicolo spaziale Gemini collocata in cima al suo vettore di lancio Titan.

Illustrazione della procedura di eiezione ad alta quota (fino a circa 20 km) degli astronauti Gemini. Si nota l’uso di un ballute, ossia di un pre-paracadute frenante sferico gonfiabile, prima del paracadute vero e proprio.

La stessa scelta tecnica fu fatta per gli Shuttle statunitensi, durante i loro voli iniziali, e per le Vostok russe.

Spaccato di una capsula Vostok, che mostra chiaramente il seggiolino eiettabile.

Seggiolino eiettabile Vostok. Credit: London Science Museum.

Illustrazione di un seggiolino eiettabile Vostok, che mostra la posizione della capsula nella carenatura ed evidenzia l’apertura nella carenatura stessa attraverso la quale il cosmonauta poteva eiettarsi sulla rampa di lancio.

Nel caso delle Vostok, fra l‘altro, il seggiolino eiettabile veniva usato anche quando il volo si svolgeva regolarmente: la capsula, infatti, non era in grado di compiere un atterraggio sufficientemente dolce scendendo sotto il suo unico grande paracadute, per cui il cosmonauta era costretto a lanciarsi fuori dal veicolo durante la discesa, a circa 7000 metri di quota, e scendere con un proprio paracadute.

Anche Yuri Gagarin, primo essere umano nello spazio, seguì questa procedura, ma fu costretto a mentire e a dichiarare di essere atterrato all’interno della propria capsula perché le norme FAI di omologazione del suo primato richiedevano che il cosmonauta restasse a bordo fino alla fine del volo. La verità emerse pochi anni dopo, quando ormai il valore dell’impresa di Gagarin era passato irrevocabilmente alla storia.

Nel caso del veicolo spaziale sovietico Voskhod fu scelta una soluzione tecnica drasticamente diversa: fare semplicemente a meno di qualunque sistema di salvataggio d’emergenza. L’imperativo politico era che l’Unione Sovietica fosse il primo paese al mondo a far volare un veicolo con tre cosmonauti a bordo, ma l’unico modo per farlo era modificare una Vostok monoposto e sacrificare non solo il seggiolino eiettabile ma anche le tute pressurizzate che avrebbero salvato i cosmonauti in caso di depressurizzazione della capsula.

Il 12 ottobre 1963, Vladimir Komarov, Boris Yegorov e Konstatin Feoktisov partirono a bordo della Voskhod 1 per un volo spaziale di 24 ore e tornarono sani e salvi. La propaganda sovietica vantò di avere veicoli spaziali così progrediti da permettere ai cosmonauti di volare in maniche di camicia, ma la realtà era ben diversa.

Dalla padella nella brace

I seggiolini eiettabili consentono un grande risparmio di peso, ma hanno alcune limitazioni fondamentali.

La prima è che sono utilizzabili soltanto in alcuni momenti del volo: oltre una certa quota e velocità, a seconda del veicolo, l’urto contro il muro d’aria supersonico al momento dell’espulsione dall’abitacolo avrebbe conseguenze letali. Una cabina di veicolo spaziale, invece, offre protezione anche a quote e velocità molto elevate.

Condizioni di utilizzo del seggiolino eiettabile Gemini.

Per esempio, i seggiolini Gemini erano utilizzabili, perlomeno sulla carta, da quota zero (sulla rampa di lancio) fino a 70.000 piedi (21 km) e a velocità fino a 500 nodi (900 km/h). Ma un vettore spaziale supera ben presto questa quota e questa velocità, per cui i seggiolini sarebbero stati inutili per gran parte del volo.

La seconda limitazione è che un razzo di emergenza può essere sganciato quando non è più necessario e consente quindi di alleggerire il veicolo, mentre un seggiolino eiettabile rimane a bordo, e costituisce ingombro e zavorra, per tutto il volo.

Il razzo d‘emergenza Apollo, per esempio, veniva eliminato a circa 89 km di quota, quindi all’inizio del viaggio; per contro, portare fino alla Luna tre seggiolini eiettabili, uno per ciascun membro d’equipaggio, avrebbe comportato una penalità di consumo di propellente inaccettabile.

Schema di utilizzo di un LES Apollo. Le quote sono espresse in piedi.

Per le Vostok questo non era un problema, visto che il seggiolino era comunque necessario durante il rientro, e non lo era neanche per le Gemini, perché nel progetto originale avrebbero planato al rientro sotto una grande ala di Rogallo gonfiabile (di forma simile a quella dei deltaplani), atterrando su un carrello retrattile come degli aerei, e i seggiolini sarebbero stati utili come precauzione per consentire ai piloti di salvarsi in caso di problemi nella fase delicata dell’atterraggio, per esempio in caso di rientro lontano dalle piste di atterraggio predisposte.

Un simulacro di veicolo Gemini modificato per sperimentare il sistema di planata con ala di Rogallo gonfiabile. Credit: Smithsonian Institution.

La terza limitazione dei seggiolini è però la più importante: l’astronauta o cosmonauta perde la protezione rigida dell’abitacolo e quindi se si eietta mentre il vettore in avaria è ancora sulla rampa di lancio o sta arrampicandosi verso lo spazio rischia di trovarsi proiettato all’interno della palla di fuoco del razzo che sta esplodendo oppure in mezzo agli scarichi incandescenti dei suoi motori.

Come già raccontato in un altro articolo, John Young, astronauta veterano statunitense noto per il suo gelido senso dell’umorismo oltre che per il suo talento, riassunse il problema con una delle sue proverbiali battute. Poco prima del volo di debutto dello Shuttle nel 1982, di cui era protagonista insieme a Bob Crippen, un giornalista gli chiese, in conferenza stampa, di chiarire il funzionamento dei seggiolini eiettabili del veicolo.

“Non mi è ancora chiaro se sia possibile eiettarsi durante la combustione dei motori a propellente solido”, domandò il giornalista riferendosi ai due enormi razzi laterali dello Shuttle. Young, impassibile, gli rispose col tono di chi spiega una cosa ovvia: “Ti basta tirare la maniglietta” (“You just pull the little handle”). Il sottinteso, naturalmente, era che era senz’altro tecnicamente possibile eiettarsi durante questa fase del decollo, ma si sarebbe finiti direttamente nel getto dei motori, con conseguenze facilmente prevedibili.

In altre parole, i seggiolini eiettabili dello Shuttle erano in buona sostanza un palliativo. Dopo i primi quattro voli furono abbandonati, anche perché non ci sarebbe stato modo di usarli per gli astronauti situati nella zona inferiore della cabina del veicolo. Sarebbero stati quindi inutili durante la tragedia dello Shuttle Challenger, nella cui disintegrazione poco dopo il decollo persero la vita sette astronauti nel 1986.

Soluzioni moderne

Gli attuali veicoli spaziali Soyuz russi, gli Shenzhou cinesi e gli statunitensi Orion, Dragon, Starliner e New Shepard adottano tutti un sistema di emergenza basato su motori che sollevano e allontanano l’intera capsula, ma solo Soyuz, Shenzhou e Orion restano fedeli allo stile tradizionale che prevede un razzo di emergenza montato davanti alla capsula: gli altri veicoli usano una nuova configurazione pusher, nella quale i motori di emergenza sono montati lateralmente o sotto la capsula e sono integrati permanentemente in essa.

Questa soluzione comporta un aggravio di peso, visto che i motori d’emergenza restano sul veicolo per tutto il volo invece di essere eliminati poco dopo il decollo, ma consente di riutilizzare questi motori per altre funzioni, come per esempio un’accelerazione verso un’orbita più alta oppure (nel caso di motori laterali) una frenata di atterraggio, rendendo possibili atterraggi dolci sulla terraferma.

Il sistema di emergenza di un veicolo Shenzhou cinese. Si notano i due gruppi separati di ugelli. Credit: ChinaNews / Spaceflight Insider.

Collaudo del sistema di emergenza di un veicolo Orion statunitense, luglio 2019.

Una capsula Crew Dragon di SpaceX effettua un test di attivazione del sistema di evacuazione d’emergenza di tipo pusher. Credit: SpaceX, 2015.

Decisioni istintive

I seggiolini eiettabili per astronauti sono insomma una tecnologia ormai abbandonata, che per fortuna non è mai stato necessario usare in emergenza. Ma una volta c’è mancato davvero poco.

Il 12 dicembre 1965 gli Stati Uniti tentarono il primo rendez-vous orbitale fra due veicoli con equipaggi. La missione Gemini 6, condotta da Walter Schirra e Thomas Stafford, avrebbe dovuto raggiungere in orbita i colleghi Frank Borman e James Lovell, lanciati alcuni giorni prima. Al momento del decollo, i due motori del vettore Titan che avrebbe dovuto portare nello spazio la Gemini 6 si accesero correttamente ma si spensero inaspettatamente circa 1,2 secondi dopo.

Il razzo, pieno di 150 tonnellate di propellente altamente corrosivo e tossico oltre che ipergolico (a innesco spontaneo per contatto fra i suoi due componenti), rimase immobile sulla rampa di lancio. In cima, dentro la Gemini 6, Schirra aveva la mano serrata sull’anello di attivazione dei seggiolini eiettabili. Non avvertiva alcun movimento del veicolo e mancava il boato dei motori, eppure il cronometro della missione e il computer si erano attivati, come se fossero partiti.

Doveva decidere: se il veicolo si era alzato da terra anche di pochi centimetri, c’era il rischio che esplodesse, e quindi era urgente eiettarsi per evitare la palla di fuoco dell’esplosione. Ma se non si era mosso, allora il posto più sicuro era dentro la capsula, dalla quale i tecnici li avrebbero estratti con calma.

Schirra decise di non tirare l’anello.

La sua scelta, basata sui suoi istinti di pilota, si rivelò esatta. I due astronauti furono estratti dopo un’ora e mezza, sani e salvi, e il fatto di non essersi eiettati permise di riconfigurare rapidamente la capsula e il vettore per un nuovo tentativo, che avvenne con pieno successo tre giorni dopo, dimostrando che un rendez-vous di precisione era possibile e aprendo così la strada alla Luna.

Fuochi d’artificio

Nella scelta di Schirra aveva pesato non poco il fatto che gli astronauti non si fidavano granché di quei seggiolini eiettabili. Il suo compagno di missione, Stafford, scrisse nel suo libro We Have Capture che c’era una magagna non banale nell’attivarli durante la loro missione: l’atmosfera della cabina era infatti composta da ossigeno puro e al momento del lancio loro erano già stati due ore a mollo in quell’atmosfera. Le loro tute ne erano impregnate e quindi qualunque scintilla li avrebbe fatti ardere in pochi istanti (in modo simile a quello che accadde in seguito, tragicamente, con Apollo 1).

Anche se la fase iniziale dell’espulsione era pneumatica, Stafford temeva che accendere un motore a razzo in quelle condizioni li avrebbe trasformati in “due fuochi d’artificio sparati verso la sabbia e le palme nane”.

L’apparato di collaudo dei seggiolini eiettabili delle capsule Gemini. Credit: NASA.
Test dei seggiolini eiettabili delle capsule Gemini. Credit: NASA.

Gli astronauti delle missioni Gemini avevano ottime ragioni per non fidarsi di questo sistema di eiezione. John Young e Gus Grissom avevano assistito a un suo test, nel quale c’erano dei manichini a bordo al posto degli astronauti: il sistema di sparo dei seggiolini aveva funzionato alla perfezione, ma i portelli di uscita non si erano aperti, per cui i manichini si erano sfracellati a testa in avanti contro l’interno di questi portelli.

John Young, impassibile ma consapevole che prima o poi al posto di quei manichini ci sarebbe stato lui, commentò ad alta voce gli effetti del test con un’altra delle sue frecciate memorabili: “That’s a hell of a headache, but a short one” (“È un gran brutto mal di testa, ma dura poco”).

Fonti: Smithsonian Institution, NASA, The Verge, Russian Space Web.

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Su Venere in batiscafo e in pallone

Su Venere in batiscafo e in pallone

Venere come appare in luce naturale attenuata.
Credit: Planetary.org / NASA /
JHUAPL / CIW / Gordan Ugarkovic.

Ultimo aggiornamento: 2019/10/26.

Venere è un inferno. Grande all’incirca come la Terra, la sua superficie è tormentata da temperature che fonderebbero il piombo, pressioni 90 volte superiori a quelle terrestri e nuvole di acido solforico sospese in un’atmosfera di anidride carbonica e azoto mossa da venti che arrivano a 300 chilometri l’ora. Sotto la coltre abbagliante di nubi che ricopre perennemente il pianeta arriva poca luce a illuminare le alte montagne vulcaniche e gli enormi altipiani.

Fino agli anni Sessanta del secolo scorso si riteneva che Venere fosse un mondo paludoso e accogliente, ma le prime esplorazioni spaziali rivelarono appunto un quadro ben diverso. La sonda statunitense Mariner 2 fu la prima a passare vicino al pianeta nel 1962, misurandone le condizioni e comunicando un verdetto inatteso: Venere era la sorella impazzita della Terra, devastata da un effetto serra inarrestabile.

I russi decisero di andare a visitare il fondo di quell’inferno.

Il programma Venera

Fra il 1961 e il 1984, l’Unione Sovietica spedì verso Venere almeno diciotto sonde senza equipaggio. Tredici riuscirono a trasmettere informazioni mentre penetravano nella densa atmosfera venusiana e dieci arrivarono addirittura al suolo e trasmisero da lì dati scientifici e persino immagini: le prime in assoluto scattate dalla superficie di un altro pianeta. Era il 22 ottobre 1975 e la sonda, costruita massicciamente come un batiscafo, era la Venera 9.

Atterrare su Venere richiedeva una progettazione completamente differente da quella tradizionale dei veicoli spaziali, solitamente concepiti per essere il più possibile leggeri ed esili. Venera 9, ancor più delle sonde che l’avevano preceduta, era un carro armato spaziale. Lasciò perdere i propri paracadute già a 50 chilometri di quota, perché tanto si sarebbero sciolti per il calore, e precipitò, come previsto, fino a incontrare gli strati densi dell’atmosfera venusiana.

Grazie alle sonde che l’avevano preceduta, si sapeva che al suolo quegli strati erano a pressioni sicuramente superiori a 25 atmosfere. Lo si sapeva in un modo molto brutale: Venera 4, 5 e 6, concepite per sopportare appunto 25 atmosfere, erano state stritolate come lattine ben prima di arrivare a terra.

La prima a sopravvivere alla discesa era stata Venera 7, che aveva avuto successo nel trasmettere dati scientifici dal suolo venusiano a dicembre del 1970. Aveva resistito a calore, pressione e corrosione per 23 minuti, annunciando temperature di oltre 450 °C.

Venera 9 era talmente robusta che sfruttò quella densità atmosferica spaventosa per frenare aerodinamicamente, grazie a una sorta di ala circolare rigida che la fece planare per ben 55 minuti. Frenare si fa per dire, perché arrivò al suolo cadendo a 25 chilometri l’ora. Nessun problema: sotto la sonda c’era un robusto respingente collassabile, che attutì l’urto dei 660 chilogrammi di massa.

Batiscafo venusiano

Come i batiscafi usati per esplorare le profondità degli oceani, Venera 9 aveva uno scafo sferico resistente alla pressione, con un diametro di circa 80 centimetri, interamente in titanio, rivestito da dodici centimetri di materiale isolante a nido d’ape, a sua volta coperto da un guscio esterno in titanio.

Il calore proveniente dall’esterno veniva assorbito da un accumulatore termico a nitrato di litio triidrato e da uno scambiatore di calore, che proteggevano i numerosi strumenti scientifici e gli apparati di trasmissione situati all’interno dello scafo. Le due telecamere di bordo si affacciavano alla superficie attraverso finestrini di quarzo spessi un centimetro.

Nulla di questi veicoli spaziali era fragile o delicato, insomma; tutto era pensato per la massima robustezza e semplicità. Il sistema di rilascio delle antenne era composto da un blocchetto di zucchero, che si sarebbe sciolto per il calore o in caso di atterraggio in eventuali specchi d’acqua (inizialmente non si sapeva che la temperatura su Venere era così alta).

Venera 9 era persino radioattiva: aveva infatti un densitometro a raggi gamma, basato su un contenitore di un isotopo radioattivo che veniva depositato sulla superficie nella maniera più semplice possibile, ossia usando un braccio che si apriva per caduta. I tappi protettivi delle telecamere venivano fatti saltare con cariche esplosive. Ma nonostante queste soluzioni di forza bruta, uno dei tappi non si staccò.

Le dimensioni della sonda Venera 9 rispetto a uno dei tecnici.

Il modulo di atterraggio della sonda Venera 9. L’elemento circolare piatto è un aerofreno. I due tubi sono condotti per il convogliamento di gas dello scambiatore di calore. La spirale in alto è l’antenna per le comunicazioni radio.

Cartoline dall’inferno

Venera 9 riuscì comunque a trasmettere, oltre a una notevole quantità di misurazioni delle condizioni ambientali, due immagini panoramiche in bianco e nero del suolo venusiano, mostrando agli scienziati russi e poi al mondo una distesa ostile di rocce basaltiche, cotte e smussate dall’ambiente feroce nel quale giacevano.

Una sonda gemella, Venera 10, atterrò tre giorni più tardi, il 25 ottobre 1975, a circa 2200 chilometri di distanza. Anche qui uno dei tappi delle telecamere non si staccò, ma l’altro funzionò come previsto e permise di acquisire e trasmettere immagini del suolo alla parte della sonda che era rimasta in orbita e che ritrasmise i dati verso la Terra. Le lampade che erano state installate a bordo di entrambe le sonde, nel timore che sotto le nubi non ci fosse luce sufficiente, non furono necessarie.

Immagini della superficie di Venere inviate da Venera 9 (sopra) e da Venera 10 (sotto) nel 1976. Credit: Accademia Sovietica delle Scienze.

I tappi delle telecamere furono un vero tormento di queste missioni: per Venera 11 e 12 non se ne staccò nessuno. Andò bene con Venera 13, che trasmise le prime immagini a colori della superficie del pianeta e analizzò un campione di polvere, resistendo poco più di due ore, ma Venera 14 fornì la beffa peggiore: i tappi si staccarono correttamente, ma uno di essi finì esattamente sotto il braccio dello strumento di analisi della compressibilità del suolo, per cui la sonda trasmise verso la Terra informazioni dettagliatissime sulla compressibilità del tappo.

Due tecnici veterani del programma spaziale sovietico, V.I. Yegorov e N.I. Antoshin, accanto al modulo di atterraggio di Venera 13.

Replica della sonda Venera 13 presso il Padiglione del Cosmo della Mostra sui Successi dell’Economia Nazionale a Mosca. In primo piano il veicolo di atterraggio, che era alloggiato all’interno della sfera in cima alla sonda vera e propria in secondo piano. Fonte: NASA.

Immagine panoramica a colori della superficie di Venere, scattata dalla sonda Venera 13 nel 1982. Si vede parte della base della sonda; l’oggetto al centro è un tappo di una delle fotocamere di bordo. Fonte: NASA.

Elaborazione digitale di immagini di Venera 10, ralizzata da Donald Mitchell.

Elaborazione digitale di immagini Venera, realizzata da Donald Mitchell.

Da allora altre sonde russe, americane, europee e giapponesi hanno sorvolato il pianeta, ma nessun’altra è più scesa fino alla superficie. Le missioni Venera costituiscono così un altro primato del programma spaziale russo.

Ritorno a Venere

Viste le difficoltà tecniche e le condizioni ambientali proibitive, le possibilità di visitare Venere sembrano molto scarse e quelle di trovarvi vita paiono nulle. Ma c’è una zona del pianeta che potrebbe ospitare la vita e si presterebbe a una missione meno brutale e fugace delle Venera: è l’alta atmosfera.

La NASA sta preparando, per ora a livello concettuale, una missione con equipaggio denominata HAVOC, dalle iniziali di High Altitude Venus Operational Concept. L‘idea di fondo, fattibile con le attuali tecnologie, è insediarsi a circa 55 chilometri di quota usando dei grandi aerostati.

A questa quota, infatti, l’atmosfera venusiana è la più simile a quella terrestre in tutto il Sistema Solare: la pressione è circa la metà di quella al livello del mare sul nostro pianeta, la temperatura oscilla fra 20 e 30 °C, gli strati più alti offrono protezione sufficiente contro le radiazioni provenienti dallo spazio e c’è moltissima luce solare per generare energia con sistemi fotovoltaici. La gravità è il 90% di quella terrestre.

Gli aerostati sarebbero pieni di ossigeno e azoto, che sono più leggeri degli elementi che compongono l’atmosfera venusiana e quindi consentono di galleggiare, offrendo nel contempo una grande riserva di aria respirabile per gli equipaggi.

Illustrazione di HAVOC, uno studio NASA per un’esplorazione dell’atmosfera venusiana tramite aerostati dotabili di equipaggi. Fonte: NASA.

In queste condizioni, gli astronauti-aeronauti potrebbero uscire all’aperto indossando una semplice tuta resistente agli agenti chimici, non pressurizzata, e un respiratore, passeggiando su una balconata fra le nuvole di Venere.

Considerato che in questo momento i programmi spaziali non prevedono neppure di riportare equipaggi sulla Luna, che rispetto a Venere è dietro l’angolo, progetti come questo possono parere fantascientifici. Ma Venere è meno lontana di Marte e questo riduce l’esposizione alle radiazioni cosmiche durante il tragitto, e la NASA guarda avanti e a volte i piani fantasiosi si concretizzano. Del resto, chi avrebbe mai pensato che un imprenditore privato, Elon Musk, sarebbe riuscito a lanciare verso l’orbita di Marte la propria automobile?

Vita su Venere, vita sulla Terra

Nell‘alta atmosfera venusiana ci sono condizioni adeguate per la vita: alcuni organismi terrestri, gli estremofili, vi si troverebbero a proprio agio. L’ambiente offre ingredienti chimici a volontà e grandi quantità di energia proveniente dal Sole: tutto quel che serve per ospitare forme viventi. La nostra esplorazione di Venere è troppo limitata per escludere questa possibilità, e con il passare del tempo sta diventando chiaro che, perlomeno sulla Terra, la vita si adatta a qualunque ambiente. Sul nostro pianeta esistono forme di vita primitive (batteri) che vivono nelle nuvole. Vale la pena di chiedersi se lo stesso avviene nelle nubi bianchissime che avvolgono il pianeta gemello.

Cosa molto più importante, studiare Venere ci permette di vedere concretamente quali sono gli effetti di un riscaldamento globale incontrollato e quindi di migliorare i nostri modelli del clima terrestre, con tutto quel che ne consegue per il bene della salute del nostro mondo. Anche se non ci si aspetta che la Terra sia soggetta a uno scenario così estremo come quello di Venere, è fondamentale capire quali cambiamenti avvengono in un clima planetario quando si verificano certe condizioni fisiche.

Nonostante Venere sia il pianeta più vicino al nostro, ha delle differenze immense: capire come due pianeti così simili possano avere due evoluzioni così diverse ci può aiutare a capire l’evoluzione del sistema solare e a gestire meglio la nostra astronave Terra.

Fonti: Mental Landscape, National Geographic, Cosmos Magazine, NASA, NASA, Space.com, Universal Science, Space.com, NASA.

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Shuttle vs Buran: spy-story e tecnologie a confronto

Shuttle vs Buran: spy-story e tecnologie a confronto

1988: una navetta spaziale, grande come un aereo di linea, rientra dallo spazio ed esegue un atterraggio perfetto sulla pista, nonostante il vento traverso a 60 chilometri orari. Ma quando i tecnici aprono il portello del veicolo, a bordo non c’è nessuno.

La navetta, infatti, non è uno Shuttle statunitense: è una Buran sovietica, che è capace di atterrare autonomamente, cosa che il veicolo americano non è in grado di fare, tanto che è stato necessario mettere a bordo dello Shuttle due astronauti (John Young e Bob Crippen) persino per il suo volo inaugurale: una scelta rischiosissima e senza precedenti.

Lungi dall’essere una semplice copia dello Shuttle, come credono molti, la Buran è un veicolo profondamente differente e per molti versi superiore per concezione. Purtroppo il destino farà sì che quel suo straordinario debutto sarà anche il suo unico volo.

L’era dei “furgoni spaziali”

Torniamo indietro di oltre vent’anni rispetto a quello spettacolare volo della Buran: gli Stati Uniti svilupparono lo Space Shuttle negli anni Sessanta e Settanta come veicolo da trasporto spaziale, capace di essere in gran parte riutilizzato invece di essere usabile una sola volta come i veicoli spaziali che l’avevano preceduto.

Questo riutilizzo, si pensava, avrebbe abbattuto drasticamente, di circa il 90%, i costi dei voli spaziali. Inoltre il suo profilo di volo, con accelerazioni più dolci e un atterraggio planato invece di un ammaraggio, avrebbe consentito di portare nello spazio anche astronauti meno iperselezionati di quelli richiesti dai veicoli Mercury, Gemini e Apollo precedenti.

Illustrazione dello Shuttle statunitense come era concepito nel 1969: ali piccole, stabilizzatore posteriore e lanciatore alato con equipaggio e riutilizzabile.

Il progetto Shuttle, annunciato mentre gli ultimi astronauti ancora stavano camminando sulla Luna nel 1972, subì nel corso degli anni moltissime variazioni e ridimensionamenti: il budget spaziale, limitato dopo i fasti della Luna, costrinse la NASA a rinunciare alla piena riusabilità prevista inizialmente.

Il lanciatore alato pilotato, che avrebbe dovuto portare in quota lo Shuttle orbitale vero e proprio, divenne un semplice serbatoio esterno sacrificabile, e per la prima volta un veicolo con equipaggio fu dotato di booster a propellente solido.

Una scelta rischiosa, visto che i booster di questo tipo non possono essere regolati o spenti una volta accesi; una scelta che si rivelerà fatale durante un decollo dello Shuttle Challenger nel 1986, quando una fiammata proveniente da una guarnizione difettosa di questi enormi razzi farà deflagrare il serbatoio, distruggendo il veicolo e portando i sette membri dell’equipaggio alla morte in diretta televisiva mondiale. Lo Shuttle era, per usare le parole di uno dei suoi astronauti, una farfalla legata ad un proiettile.

Ali rivelatrici

I sovietici esaminarono in dettaglio i progetti dello Shuttle e si resero conto che mostravano una caratteristica per loro preoccupante: la grande ala a doppio delta, con la sua enorme tripla penalità (di peso e aerodinamica al decollo, termica al rientro). Adottarla aveva senso soltanto se lo Shuttle doveva avere delle finalità militari strategiche.

Lo Shuttle Columbia al decollo.

In effetti l‘ala a doppio delta non faceva parte del progetto Shuttle originale, che era stato appunto concepito con ali piccole e diritte: la grande ala fu imposta da un requisito militare, il cosiddetto “long crossrange”, ossia la capacità di rientrare compiendo ampie virate per spostarsi lateralmente di oltre 2000 chilometri rispetto alla traiettoria orbitale.

Questa capacità avrebbe permesso allo Shuttle di decollare per esempio dalla base militare californiana di Vandenberg, inserirsi in un’orbita polare, mettere in orbita un oggetto militare (o prelevarlo dall’orbita) e poi rientrare di nuovo a Vandenberg dopo una singola orbita, compensando la rotazione terrestre con una grande virata, senza mai sorvolare territori nemici, come descritto nel documento STS Design Reference Mission 3A/3B (NASA, 1973).

Verso la fine degli anni Settanta questo requisito di elevato crossrange fu abbandonato dai militari, ma a quel punto il progetto Shuttle era andato troppo avanti per cambiarlo radicalmente e quindi l’ala a doppio delta rimase.

I sovietici, in piena Guerra Fredda, interpretarono quell’ala come un segno evidente che gli americani volevano dotarsi di un veicolo che avrebbe permesso, per esempio, di rubare un satellite russo oppure di mettere in orbita di nascosto un ordigno nucleare da far cadere a sorpresa su Mosca, eludendo i satelliti di sorveglianza russi che avrebbero rilevato la fiammata di un normale missile balistico intercontinentale.

La soluzione sovietica a questa nuova arma americana fu logica, inevitabile e tradizionale: come era già avvenuto per tante altre tecnologie, per esempio il bombardiere Tupolev Tu-4 (identico al B-29 statunitense) o il supersonico di linea Tu-144 (ispirato dal Concorde anglo-francese), fu deciso di costruirne una copia uguale, anzi per certi versi migliore. Nacque così il progetto Buran.

Spie e controspie

A prima vista la Buran in effetti sembra una copia spudorata dello Shuttle: stesse dimensioni, stessa ala a doppio delta, stesso timone, stessa configurazione con grande vano di carico dotato di due portelloni incernierati longitudinalmente, stessa collocazione dei motori di manovra, stessa tecnica di rientro planato senza propulsione.

Indubbiamente i sovietici approfittarono delle esperienze e delle scelte già fatte dai loro omologhi americani, facendo anche incetta di tutta la documentazione pubblica sul progetto Shuttle, per saltare molte tappe di ricerca e sviluppo. Ma la CIA e l’FBI se ne accorsero e iniziarono a disseminare documenti alterati per confondere i russi e indurli a costruire la Buran con i materiali e le specifiche sbagliate, come raccontato dal documento The Farewell Dossier pubblicato sul sito della CIA.

I sovietici copiarono le caratteristiche aerodinamiche dello Shuttle, ma furono comunque costretti a distaccarsi dal progetto americano per via della loro arretratezza tecnologica in fatto di grandi razzi a propellente solido e di motori riutilizzabili ad elevatissime prestazioni come quelli usati dallo Shuttle, per cui il depistaggio americano fu efficace soltanto indirettamente: non impedì ai russi di costruire una navetta spaziale, ma li rallentò e li costrinse ad affrontare un progetto costosissimo che l’economia russa non poteva sostenere, per cui a modo suo contribuì comunque al collasso dell’Unione Sovietica.

I progettisti russi scelsero due soluzioni eleganti per compensare le proprie limitazioni motoristiche: adottarono quattro grandi razzi ausiliari a propellente liquido al posto dei due a propellente solido americani e tolsero i motori principali dalla Buran, mettendoli invece nello stadio centrale di un grande lanciatore, denominato complessivamente Energia. In questo modo sparì il requisito della riutilizzabilità dei motori principali, per cui fu possibile adottare, per lo stadio centrale del lanciatore, motori monouso per propellenti liquidi, nei quali i sovietici erano più progrediti degli americani (gli RD-170 di Energia erano ancora più potenti degli F-1 usati nel Saturn V).

Non solo: togliendole la massa dei motori, la Buran divenne capace di portare in orbita 30 tonnellate di carico contro le 26 dello Shuttle e divenne molto più semplice da preparare per un volo successivo. La Buran, diremmo oggi, era lo Shuttle 2.0.

Trionfo russo, ma con amarezza

Il vettore Energia fu collaudato nel 1987, senza la navetta, con pieno successo. La Buran volò con Energia a novembre del 1988, con anni di ritardo sul rivale Shuttle, che aveva già iniziato i voli nel 1982.

La Buran sulla rampa di lancio al Sito 110 di Baikonur. La rampa è un adattamento di una di quelle usate per il fallito vettore lunare N-1.
La Buran durante il suo primo e ultimo decollo verticale per un volo orbitale, trasportata dal vettore gigante Energia.

Fu un trionfo totale, dopo dodici anni di sofferto e costoso sviluppo: le 80 tonnellate della Buran entrarono in orbita intorno alla Terra alla quota di circa 250 chilometri, trasportando sette tonnellate di strumenti nel vano di carico. Dopo 206 minuti dal decollo e due orbite, la Buran accese i motori di manovra e rientrò, concludendo il proprio volo spaziale con una perfetta planata sull’apposita pista dello stesso cosmodromo di Baikonur dal quale era partita verticalmente.

L’Unione Sovietica aveva dimostrato di essere tecnologicamente in grado di costruire uno spazioplano grande come un aereo di linea e capace di effettuare il lancio, le manovre orbitali, il rientro e l’atterraggio in maniera completamente automatica e autonoma, senza equipaggio. Meglio degli americani, che oltretutto avevano già perso un equipaggio con lo Shuttle.

Ma quel trionfo avvenne a meno di un anno dalla caduta del Muro di Berlino, che segnò l’inizio del crollo dell’Unione Sovietica. I sogni di usare la Buran ed Energia, in versione potenziata e pienamente riutilizzabile, per costruire uno scudo spaziale militare, ricostruire lo strato atmosferico protettivo di ozono, illuminare le città polari russe, colonizzare la Luna e Marte svanirono nel vortice del collasso. La Buran non volò più nello spazio: fu esibita in volo, anche in Occidente, portandola sul dorso del gigantesco aereo da trasporto An-225.

Fine ingloriosa

Buran ed Energia furono messi in un hangar a Baikonur come oggetti per impressionare i visitatori, ma nel 2002 la mancanza di manutenzione dell’hangar ne fece crollare il tetto, distruggendo entrambi i veicoli e causando la morte di otto operai. Di questo grande sforzo tecnologico restano soltanto i prototipi e gli esemplari parzialmente costruiti, esposti nei musei di vari paesi o abbandonati nelle gigantesche rimesse di Baikonur, e i magnifici motori RD-170, che sono stati adottati anche per i vettori statunitensi Atlas più recenti.

Un esemplare incompleto di Buran giace abbandonato in un hangar in Kazakistan.

Lo Shuttle americano, dopo un altro disastro nel 2003 che costò la vita a tutti e sette gli astronauti del Columbia durante il rientro, concluse la propria carriera trentennale nel 2011, chiudendo l’era dei veicoli spaziali alati con equipaggio.

Ma qualcosa, di quell’era, rimane tuttora: il “mini-Shuttle” americano senza equipaggio X-37B, che va e viene dallo spazio da anni, avvolto da un segreto quasi totale. Ma questa è una storia da raccontare un’altra volta.

Il “mini-Shuttle” militare statunitense X-37B all’interno della carenatura di lancio. Credit: US Air Force, 2010/Wikimedia.

Fonti: Astronautix, AlternateHistory.com, Discover Magazine, RussianSpaceWeb, Reddit, Yarchive, NBC, NASA.  

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I disastri sfiorati dello Shuttle

I disastri sfiorati dello Shuttle

Chiunque abbia la passione per lo spazio ricorda i due incidenti fatali del programma Shuttle statunitense: la distruzione del Challenger al decollo nel 1986 e la perdita del Columbia nel 2003. In ciascuna tragedia persero la vita sette astronauti. Ma i cinque Shuttle che hanno costituito per trent’anni la colonna portante dei voli spaziali statunitensi ed europei hanno rischiato disastri analoghi in molte altre occasioni, di cui si parla poco.

Tecnologia estrema

Il progetto Shuttle, nato negli anni Settanta, fu una sfida tecnologica straordinaria e spesso sottovalutata. Costruire e far volare un veicolo che decolla come un missile, va nello spazio come un’astronave e torna a terra planando come un aliante a 25 volte la velocità del suono, e lo fa ripetutamente portando sette astronauti e oltre venti tonnellate di carico, significò portare al limite la tecnologia aerospaziale dell’epoca.

Quel limite comportò compromessi e rinunce. Il veicolo spaziale non aveva una all-envelope escape capability, ossia la capacità di mettere in salvo gli astronauti in qualunque momento del volo. I vettori Mercury, Apollo, Voskhod e Soyuz ospitavano gli equipaggi dentro una capsula che poteva essere espulsa da un apposito motore a razzo mentre il vettore era sulla rampa o durante l’arrampicata verso lo spazio; lo Shuttle no. In caso di anomalia sulla rampa o durante i primi due minuti del volo, non c’era sostanzialmente nulla da fare; dopo, eventualmente, si poteva tentare una rischiosissima virata per rientrare planando. Gli astronauti lo sapevano e accettavano il rischio.

Durante i primi voli, lo Shuttle Columbia fu dotato di seggiolini eiettabili, che però erano inutili fino allo sgancio dei due booster a propellente solido ed erano usabili solo a velocità inferiori a 5.500 km/h e a quote minori di 39 km.

Quando un giornalista chiese a John Young, comandante della missione inaugurale del programma Shuttle nel 1981, se era possibile eiettarsi mentre i due booster erano accesi, l’astronauta rispose con il suo tipico umorismo laconico: “Basta che tiri la maniglietta”. In altre parole, ci si poteva sì eiettare, ma si finiva nel getto dei motori.

Scudo fragile

Gli Shuttle erano dotati di un’innovazione particolare: uno scudo termico riutilizzabile, a differenza di quelli ablativi dei veicoli precedenti. Era composto da migliaia di pannelli conformati per adattarsi alla fusoliera e alle ali. Questi pannelli avevano una capacità di protezione termica straordinaria, ma erano meccanicamente fragili: si sbriciolavano al minimo impatto.

Durante la missione militare STS-27, nel 1988, se ne danneggiarono al decollo oltre settecento sull’ala destra e una si staccò completamente, esponendo al calore del rientro l’acciaio e l’alluminio della struttura sottostante. Gli astronauti si resero conto della drammaticità della propria situazione mentre erano in orbita, ispezionando l’esterno con una telecamera montata sul braccio robotico dello Shuttle Atlantis. Il comandante, Robert Gibson, guardando i danni all’ala destra, ammise in seguito di aver pensato che sarebbero morti tutti al rientro.

Essendo una missione militare top secret, le immagini della telecamera furono inviate a terra in forma criptata. Questo ne peggiorò enormemente la qualità e spinse i tecnici a terra a sottovalutare i danni e a dare il via libera per un rientro normale. Gibson era incredulo, ma ubbidì.

Missione STS-27: i danni alla fiancata destra dello Shuttle Atlantis, fotografati durante l’atterraggio.

Dettaglio della foto precedente, che evidenzia le numerosissime scheggiature bianche dello scudo termico.

Missione STS-27: tracce di metallo fuso dove manca un pannello dello scudo termico; scheggiatura dei pannelli adiacenti.

Un’altra inquadratura del danno dello scudo di STS-27 mostrato nella foto precedente.

Missione STS-27: l’ispezione post-volo rivela l’entità dei danni.

Il ritorno sulla Terra andò bene, ma gli astronauti e i tecnici rimasero ammutoliti quando videro i danni che Atlantis aveva subìto. Il fatto che questo Shuttle rientrò nonostante le lesioni estese allo scudo termico e il clima di segretezza che circondò la missione contribuirono all’idea che questo genere di danni fosse normale e non preoccupante.

Quindici anni più tardi, questa stessa fragilità fu la causa del disastro del Columbia, anch’esso lesionato nello scudo termico durante il decollo.

Motori d’oro

Nel 1999, la missione STS-93 sopravvisse a una grave avaria a uno dei tre motori RS-25 dello Shuttle Columbia. Doveva portare in orbita uno dei carichi più pesanti dell’intera storia dei voli Shuttle: le venti tonnellate del telescopio spaziale Chandra, dedicato all’osservazione dell’universo nella gamma di frequenze dei raggi X.

L’ossigeno liquido che, insieme all’idrogeno liquido, alimentava i motori dello Shuttle passava attraverso una rosa di circa seicento iniettori. Questi iniettori venivano ispezionati dopo ogni volo; se qualcuno risultava danneggiato, veniva tappato con un pernetto placcato d’oro. I motori potevano funzionare senza problemi anche se c’erano vari iniettori tappati in questo modo.

All’accensione dei motori del Columbia, uno di questi pernetti fu letteralmente sparato fuori dalla propria sede a causa della pressione dei gas e colpì la parete interna dell’ugello del motore destro, lesionandola. Questa parete era composta da circa un migliaio di tubicini nei quali fluiva idrogeno liquido per raffreddarla, altrimenti si sarebbe fusa per via del calore della combustione all’interno dell’ugello.

Le lesioni interruppero parzialmente questo flusso. Cinque interruzioni avrebbero comportato il surriscaldamento dell’ugello, l’esplosione del motore e la perdita dello Shuttle e del suo equipaggio. Qui ce ne furono tre.

Missione STS-93: il motore di destra ha una fiammata anomala all’interno dell’ugello. Sta perdendo idrogeno liquido.

Missione STS-93: al centro, il danno all’interno di un ugello dello Shuttle Columbia.

Missione STS-93: dettaglio del danno all’ugello del Columbia.

Il Columbia decollò regolarmente lo stesso, grazie all’intervento compensativo dei computer di bordo che avevano rilevato il problema, ma il motore lesionato arrivò pericolosamente vicino al limite di surriscaldamento.

Come se non bastasse, la comandante, Eileen Collins, riferì un problema a una cella a combustibile che poteva portare alla sua esplosione, e al Controllo Missione i sensori indicavano che uno dei booster a propellente solido non aveva fluido idraulico per orientare il proprio ugello: un altro problema potenzialmente disastroso. Ma i tecnici a terra, durante i secondi concitati dell’arrampicata verso lo spazio, capirono che si trattava rispettivamente di un sensore difettoso e di un corto circuito a un cavo di controllo del motore centrale. La guaina isolante del cavo era stata progressivamente asportata, un volo dopo l’altro, dallo sfregamento contro la testa di una singola vite, deformata e resa tagliente dalla forza eccessiva usata per stringerla. Questo portò alla disattivazione di uno dei due computer ridondanti installati sul motore, riducendo ulteriormente i margini di sicurezza.

Il Controllo Missione, insomma, si trovava con uno Shuttle in corsa verso lo spazio che aveva un motore surriscaldato e un altro che dava problemi di telemetria e in più aveva un computer in avaria che lo faceva lavorare a potenza ridotta. Il Columbia riuscì a malapena a entrare in orbita alla quota pianificata e il resto della missione andò bene, mettendo correttamente in orbita il telescopio Chandra, ma il rischio di perdere uno Shuttle e il suo equipaggio fu di nuovo grande.

A lancio concluso, il direttore di volo, John Shannon, si lasciò scappare un raro commento pubblico sul canale di comunicazione con i controllori: “Altri [lanci] così non ne vogliamo”.

All’ultimo secondo

La partenza di uno Shuttle era una coreografia estremamente complessa. In sintesi, prima di tutto venivano accesi i tre motori principali a propellente liquido dello Shuttle, sei secondi prima del lancio, scaglionandoli leggermente per portarli a piena potenza in modo graduale ed evitare sollecitazioni eccessive.

Se questi motori risultavano funzionare correttamente, allora venivano accesi anche i booster laterali a propellente solido. Questi booster, a differenza dei motori dello Shuttle, non potevano essere spenti una volta accesi, e quindi era importante essere sicuri di poter lanciare. Anche perché in cima a quei motori c’erano degli astronauti.

Normalmente, quando quegli astronauti sentivano oscillare lo Shuttle sotto la spinta dei suoi tre motori, capivano che stavano per partire per lo spazio. Ma a giugno del 1984 la missione STS-41D fu interrotta quattro secondi prima del lancio; le missioni STS-51F (luglio 1985), STS-55 (marzo 1993) e STS-51 (agosto 1993) furono fermate tre secondi prima; e la STS-68 (1994) fu interrotta 1,9 secondi prima del lancio a causa di un valore eccessivo di temperatura rilevato da un sensore di uno dei motori.

Quando succedeva un abort di questo genere, gli astronauti si trovavano legati dalle cinture dentro un enorme razzo pieno di propellente che chiaramente non stava funzionando come avrebbe dovuto. Intervenivano potenti getti d’acqua per raffreddare i motori, la passerella di ingresso degli astronauti veniva riavvicinata allo Shuttle e i tecnici del Controllo Missione correvano per mettere in sicurezza il veicolo.

A questo punto gli astronauti dipendevano dai tecnici per sapere se evacuare in fretta lo Shuttle o attendere il ritorno degli addetti alla rampa di lancio. In caso di evacuazione, dovevano uscire dal portello dello Shuttle mentre indossavano circa 40 chilogrammi di tuta e bombole di sopravvivenza, tenendo presente che la cabina del veicolo era puntata verso l’alto e quindi il pavimento era una parete verticale, correre lungo la passerella e infilarsi in una cesta appesa a un cavo che li avrebbe portati verso un bunker ad alcune centinaia di metri di distanza. Sempre che, s’intende, lo Shuttle non fosse esploso nel frattempo.

Il sistema di fuga d’emergenza della rampa 39A nel 2012.

1981: Bob Crippen (a sinistra) e John Young (a destra) si addestrano con il sistema di fuga prima del volo inaugurale dello Shuttle.

Facilità ingannevole

Le agenzie spaziali sono talmente ben addestrate, competenti e professionali che fanno sembrare facili i lanci di questi grandi vettori, ma se si guarda dietro le quinte si apprezza quanto sia in realtà delicato e complesso il lavoro necessario per mettere delle persone dentro una cabina alleggerita al massimo, legata a qualche centinaio di tonnellate di sostanze altamente esplosive, e accelerare quelle persone verso il vuoto inospitale dello spazio in maniera controllata.

Le lezioni dei disastri passati servono come sprone per lavorare con diligenza e passione per evitare che si ripetano, perché in ogni lancio vale sempre una regola: affinché vada bene, migliaia di componenti devono funzionare tutti correttamente. Ma per farlo andar male basta che non ne funzioni uno.

Fonti: SpaceflightNow, AmericaSpace, Universe Today, American Digest.

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Lunar Orbiter, immagini segrete dalla Luna nel 1967

Lunar Orbiter, immagini segrete dalla Luna nel 1967

Ultimo aggiornamento: 2019/10/01 9:50.

Immaginate una fotografia della Luna talmente nitida che per renderne visibili a occhio nudo tutti i dettagli sarebbe necessario stamparla su una superficie grande come la facciata di un edificio di tre piani. Ora immaginate che una foto del genere esista realmente e sia stata tenuta segreta per oltre quarant’anni, ma che un gruppo di ricercatori accampati in un McDonald’s abbandonato l’abbia scoperta, recuperata e rivelata.

Smettete pure di immaginare, perché questa storia è accaduta davvero.

Spie spaziali

Fra il 1966 e il 1967, gli Stati Uniti inviarono verso la Luna cinque sonde di ricognizione, denominate Lunar Orbiter, con l’obiettivo di creare una mappa fotografica dettagliata dalla quale selezionare i luoghi migliori per i futuri allunaggi degli equipaggi delle missioni Apollo.

Una sonda della serie Lunar Orbiter.

La tecnica usata per riportare sulla Terra le immagini della Luna fu decisamente eroica: non disponendo di sensori fotografici digitali, che non erano ancora stati inventati, le sonde Lunar Orbiter fotografarono la superficie selenica su pellicola fotografica da 70 mm. Non esisteva ancora la tecnologia per far tornare sulla Terra queste pellicole, per cui a bordo della sonda fu installato un laboratorio di sviluppo all’interno di un contenitore pressurizzato. Le pellicole furono quindi sviluppate chimicamente, asciugate e poi sottoposte a scansione con un sistema analogico, in maniera completamente automatizzata, a bordo delle sonde. La tecnica è descritta in dettaglio nel documento NASA Lunar Orbiter Photographic Data, NSSDC 69-05, giugno 1969.

Schema del sistema di sviluppo e scansione delle sonde Lunar Orbiter (fonte: NASA).

Le Lunar Orbiter trasmisero via radio verso la Terra il segnale di uscita di queste scansioni, che fu captato dalle grandi antenne della NASA situate in Spagna (Madrid), Australia (Woomera) e California (Goldstone).

Le fotografie furono ricostruite sulla Terra partendo da questi segnali radio e furono usate per preparare gli allunaggi. Alcune furono pubblicate immediatamente, mentre il grosso fu offerto al pubblico nel 1971, dopo i primi sbarchi umani sulla Luna con equipaggio ad opera degli Stati Uniti. Ma la versione che fu presentata al pubblico fu intenzionalmente e fortemente degradata, con un contrasto estremo e con striature molto marcate. La reale qualità delle spettacolari immagini della Luna scattate dal programma Lunar Orbiter rimase segreta.

C’erano infatti due problemi che impedivano alla NASA di rendere pubblici gli originali.

Il primo era che la corsa alla Luna fra Stati Uniti e Unione Sovietica era ancora aperta e i sovietici avrebbero potuto sfruttare gratuitamente le immagini americane per le proprie missioni, senza dover costruire e lanciare delle proprie sonde.

Il secondo era che le fotocamere delle Lunar Orbiter erano fondamentalmente uguali a quelle dei satelliti-spia militari, semplicemente modificate per fare ricognizione fotografica della Luna anziché del territorio nemico sulla Terra, e il governo statunitense non voleva assolutamente far sapere ai russi quanto fosse sofisticata e potente la tecnologia americana di ricognizione satellitare strategica.

Sui giornali uscirono quindi versioni scadenti delle foto e il pubblico, ignaro dell’inganno, si dovette accontentare. Ma alla NASA un gruppo selezionato di esperti sapeva come stavano realmente le cose.

Luna virtuale

Le prime tre missioni della serie Lunar Orbiter fotografarono una ventina di siti lunari ritenuti potenzialmente accettabili per un allunaggio: servivano zone pianeggianti e senza asperità.

Fra l’11 e il 25 maggio 1967, la sonda Lunar Orbiter IV scattò una serie di foto della faccia visibile della Luna. In segreto, le immagini in qualità originale furono stampate e composte per ottenere un mosaico dettagliatissimo della superficie lunare. La risoluzione era talmente elevata che la panoramica complessiva, stampata in una scala sufficiente a rendere visibili i dettagli più piccoli, misurava 12 per 16 metri e fu disposta sul pavimento di una grande sala, nella quale gli analisti e anche gli astronauti entravano scalzi per camminare virtualmente sulla Luna.

Le immagini originali delle Lunar Orbiter stampate e usate alla NASA per scegliere i siti di allunaggio.

Nonostante le dimensioni, alcuni dettagli di queste foto richiedevano comunque l’uso della lente d’ingrandimento. Certe immagini, scattate da una quota di circa 44 chilometri, mostravano dettagli inferiori al metro, e la quinta missione Lunar Orbiter acquisì immagini della faccia nascosta della Luna e dettagli dei siti di allunaggio, producendo una cartografia selenica quasi completa. Ma una volta usate, queste fotografie eccezionali furono archiviate per proteggere i segreti militari della tecnologia che le aveva rese possibili e al pubblico fu presentata solo una copia di qualità ridottissima.

La faccia nascosta della Luna e una falce di Terra. Versione in bassa risoluzione della foto Lunar Orbiter 1117.
La falce di Terra della foto precedente; notate la risoluzione elevatissima.

McMoon

I circa 1500 nastri sui quali erano stati registrati i segnali radio prodotti dalle scansioni di queste pellicole di ricognizione rimasero in magazzino per due decenni. Nel 1986 fu necessario decidere se continuare a conservarli oppure distruggerli. La decisione spettava a Nancy Evans, archivista del Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena, in California. Lei non se la sentì di mandarli al macero e quindi se li portò a casa e li mise nel proprio garage.

Evans e alcuni colleghi, con un piccolo finanziamento della NASA, riuscirono a trovare quattro enormi unità Ampex FR-900, macchine speciali necessarie per leggere i segnali memorizzati sui nastri. Anche queste finirono nel garage dell’archivista. Dopo vent’anni di abbandono erano in pessime condizioni, piene di sporco e ragnatele, ed era necessario restaurarle pezzo per pezzo. Ma per farlo occorreva trovare tecnici che si ricordassero delle tecnologie militari degli anni Sessanta e sapessero ricreare i componenti mancanti, in particolare le testine di lettura, i demodulatori e i convertitori da analogico a digitale. Alcuni ricambi furono trovati su eBay.

Passarono anni, finché nel 2007 il tentativo di recuperare le foto delle Lunar Orbiter fu annunciato pubblicamente sul sito NasaSpaceflight.com e si fecero avanti vari esperti, fra cui Dennis Wingo, presidente dell’azienda aerospaziale SkyCorp, che sfruttò la propria rete di contatti alla NASA per radunare le risorse umane e tecniche necessarie per il progetto, denominato LOIRP (Lunar Orbiter Image Recovery Project), e lo cofinanziò insieme a Keith Cowing, ex dipendente della NASA.

Con l’aiuto di Ken Zin, veterano dell’esercito ed esperto negli apparati di registrazione a nastro militari, riuscirono a riparare un lettore FR-900 e a presentare nel 2009 le prime immagini recuperate, fra le quali spiccava una stupenda immagine obliqua del cratere Copernico.

Una delle prima foto recuperate mostra il cratere Copernico della Luna, ripreso obliquamente dalla sonda Lunar Orbiter 2 il 24 novembre 1966 da una quota di circa 45 km.

Il lavoro fu svolto nei locali di un McDonald’s abbandonato vicino al centro di ricerca Ames della NASA a Mountain View, in California. Il sito fu prontamente ribattezzato “McMoon”.

L’interno del McDonald’s trasformato in laboratorio di recupero. Sul pavimento si notano le bobine di nastro magnetico e un sacco a pelo. Credit: Steve Jurvetson.

Con l’aiuto di studenti della San Jose State University e di veterani della Ampex, fu ricostruito il sistema di catalogazione dei nastri, ciascuno dei quali conteneva una singola immagine. Dal restauro emerse che lo scanner analogico a bordo delle Lunar Orbiter aveva una risoluzione di 5 micron (200 linee per millimetro) e che il segnale era stato trasmesso verso la Terra usando una compressione analogica lossless (priva di perdite).

Convertita in formato digitale, ognuna di queste foto di cinquant’anni fa occupa circa 2 GB e misura circa 19.000 per 16.000 pixel, ben più delle migliori fotocamere digitali professionali di oggi. La qualità delle immagini originali delle Lunar Orbiter, insomma, era infinitamente superiore alle versioni sgranate pubblicate negli anni Sessanta e Settanta, per esempio su Life Magazine.

La Terra vista dalla Luna dalle missioni Lunar Orbiter, nella versione intenzionalmente degradata pubblicata nel 1971 (sopra) e nella versione restaurata (sotto).

Importanza storica

Oggi tutte le circa 2000 immagini delle sonde Lunar Orbiter ricevute sulla Terra e archiviate sui nastri sono state recuperate, restaurate e pubblicate su Internet presso Moonviews.com e presso la NASA qui (sito attualmente in manutenzione, ma archiviato su Archive.org) e qui. Scaricarle non è facile, a causa delle loro dimensioni enormi, ma sono comunque disponibili a chiunque.

Queste fotografie non hanno soltanto un valore storico come reperti di un’era pionieristica e di una tecnologia sorprendentemente all’avanguardia nonostante risalga a cinquant’anni fa: grazie alla loro ricchezza di dettagli, sono un riferimento fondamentale per valutare la frequenza degli impatti meteorici significativi sulla Luna, che è un dato importantissimo per i progetti di ritorno alla Luna con equipaggi e di insediamenti permanenti. Confrontando le immagini di cinque decenni fa con quelle delle sonde attuali, come la Lunar Reconnaissance Orbiter, è infatti possibile rilevare e quantificare i crateri formatisi nell’ultimo mezzo secolo.

Questi dati di riferimento insostituibili sono sopravvissuti soltanto grazie alla scelta morale di un’archivista tenace, Nancy Evans, e alla determinazione dei veterani. Chissà quante altre pagine storiche dell’esplorazione spaziale giacciono impolverate, in attesa di essere recuperate: purtroppo il tempo stringe, perché i supporti si deteriorano, gli apparati di lettura diventano sempre più rari e la memoria vivente di coloro che sanno come farli funzionare se ne sta andando inesorabilmente.

Microfilm delle missioni Lunar Orbiter, dalla mia collezione personale, donatemi dalla Specola Solare di Locarno, Svizzera.

Dettaglio della porzione iniziale di una delle bobine di microfilm delle missioni Lunar Orbiter. Dalla mia collezione personale.

Fonti: BoingBoing, Moonviews, Nasa.gov (archivio foto RAW), World of Indie, Technology Review (con foto del sito di Apollo 14), Business Insider, PetaPixel, Wikipedia, LPI, Nasa.gov, Moonviews (Earthrise su Life Magazine), Moonviews (Apollo 12), Nasa.gov, Time, The Living Moon.

Questo mio articolo è stato pubblicato per la prima volta su carta sulla rivista Spazio Magazine dell’Associazione ADAA, è stato aggiornato e ampliato rispetto alla pubblicazione iniziale e vi arriva gratuitamente e senza pubblicità grazie alle donazioni dei lettori di questo blog. Se vi è piaciuto, potete incoraggiarmi a scrivere ancora facendo una donazione anche voi, tramite Paypal (paypal.me/disinformatico), Bitcoin (3AN7DscEZN1x6CLR57e1fSA1LC3yQ387Pv) o altri metodi.

N-1: i piani sovietici segreti per andare sulla Luna

N-1: i piani sovietici segreti per andare sulla Luna

Si parla tanto della “corsa alla Luna” degli anni Sessanta fra Stati Uniti e Unione Sovietica, ma una corsa presuppone corridori da entrambe le parti. Dove sono quelli russi, e soprattutto con che veicoli sarebbero arrivati sulla Luna? Dov’è l’equivalente sovietico del Saturn V, il gigantesco vettore americano capace di portare sulla Luna un equipaggio, di cui sappiamo tutto da sempre?

La risposta, paradossalmente, si trova in qualche ovile del Kazakistan, le cui tettoie e pareti, se esaminate con occhio attento, sono grandi grid fin (alette stabilizzatrici) e pezzi di giganteschi serbatoi in metalli altamente sofisticati.

La copertura di questo gazebo è il fondo di un razzo gigante N-1. Credit: Mark Wade.

Provengono dai resti saccheggiati di uno dei progetti più segreti e ambiziosi dell’epopea spaziale sovietica: l’N-1, il colossale razzo che secondo i piani sovietici avrebbe portato un cosmonauta sulla Luna prima dei rivali americani e, in versione nucleare, avrebbe consentito all’Unione Sovietica di dominare la Terra tramite stazioni spaziali militari, costruire basi permanenti sulla Luna ed esplorare con equipaggi i pianeti interni del Sistema Solare. Ma i suoi pezzi finirono per spargersi nelle immense distese del Kazakistan, all’epoca parte dell’Unione Sovietica, e sono ancora lì oggi, arrugginiti testimoni di un fallimento messo a tacere che cambiò comunque il corso della storia dell’astronautica.

Mentre gli Stati Uniti presentavano al pubblico ogni dettaglio dei propri tentativi spaziali civili, la Russia si isolava in un ossessivo silenzio. Le missioni venivano annunciate solo dopo il loro completamento. Le dirette TV dei lanci dal centro spaziale di Baikonur, che oggi sono normalissime, allora erano impensabili. Persino il nome del capo progettista del programma spaziale, Sergei Korolev, era un segreto di stato. Questo consentiva di nascondere i fallimenti, e nel caso dell’N-1 ci fu molto da nascondere. La sua storia è il vero complotto intorno agli sbarchi sulla Luna.

Trenta motori

Non disponendo di motori ultrapotenti come i cinque F-1 del primo stadio del Saturn V statunitense, i progettisti sovietici, guidati da Vasili Mishin (succeduto a Korolev, morto prematuramente nel 1966) ripiegarono sull’uso di ben trenta motori per il primo stadio dell’N-1: un incubo da coordinare, specialmente con i sistemi di controllo degli anni Sessanta. Solo il Falcon Heavy di SpaceX, nel 2018, si avvicinerà a un numero così elevato di propulsori, accendendone ben 27 al decollo. Questa scelta progettuale, combinata con la decisione di non effettuare collaudi statici a terra per ridurre i costi e accelerare i tempi, fu il tallone d’Achille del progetto N-1.

Confronto dimensionale fra Saturn V-Apollo (a sinistra) e vettore N1-L3 (a destra). La persona in basso è in scala. Credit: Ebs08, Wikimedia.
Un N-1 in allestimento. Alla base si notano, oltre alle persone, le grid fin simili a quelle usate oggi da SpaceX.

Il primo lancio di prova, senza equipaggio, avvenne il 21 febbraio 1969, dopo dieci anni di sviluppo azzoppato da rivalità fra progettisti e tagli ai finanziamenti, imposti dai militari: l’N-1, pesante circa 2760 tonnellate, alto 105 metri e largo 17 alla base, si staccò dalla rampa di lancio, ma i sistemi automatici di controllo rilevarono quasi subito l’incendio di un motore e diedero erroneamente il comando di spegnere tutti e trenta i motori 68.7 secondi dopo il decollo. I controllori del volo furono quindi costretti ad azionare il sistema di autodistruzione 1,3 secondi più tardi. Il grande vettore raggiunse la quota di circa 30.000 metri e poi i suoi frammenti ricaddero al suolo a una quarantina di chilometri di distanza dal punto di lancio.

I servizi di spionaggio britannici rilevarono il tentativo di lancio, mentre quelli statunitensi, i cui satelliti avevano avvistato l’N-1 in allestimento sulla rampa, non se ne accorsero e anzi per anni negarono che il lancio fosse avvenuto.

Un vettore N-1 sulla rampa di lancio, fotografato da un satellite spia statunitense KH-8 il 19 settembre 1968. Credit: USAF.

L’N-1 fu modificato estesamente per evitare il malfunzionamento che aveva portato al disastro, ma fu chiaro sin da subito che le speranze sovietiche di arrivare sulla Luna prima degli americani erano minime: solo un fallimento analogo di una delle rapide tappe del programma Apollo, che a dicembre 1968 aveva già portato un equipaggio intorno alla Luna (Apollo 8) e si apprestava a collaudare il modulo lunare in orbita terrestre (Apollo 9, 3-13 marzo 1969), avrebbe rimesso in gioco il programma spaziale russo.

In una classica manovra di disinformazione, a maggio del 1969 il fisico russo Mstislav Keldysh approfittò di una conferenza stampa dedicata all’atterraggio su Venere della sonda Venera 5 per annunciare la nuova versione ufficiale sovietica, ossia che la Russia aveva scelto di usare soltanto veicoli robotici per l’esplorazione della Luna perché preferiva non rischiare vite umane in quest’impresa. Ma in realtà il lavoro per portare un cosmonauta intorno alla Luna (con una capsula Soyuz lanciata da un vettore Proton-K) e poi sul suolo selenico (con l’N-1) proseguiva alacremente.

Il 3 luglio 1969 fu effettuato un nuovo tentativo di lancio di un N-1 aggiornato, sempre senza cosmonauti a bordo, che si sollevò dalla rampa regolarmente. Ma un quarto di secondo più tardi esplose una pompa in uno dei trenta motori, innescando un incendio. In rapida successione, i motori restanti si spensero automaticamente e il razzo, stracarico di propellente, iniziò a ricadere, inclinato a 45 gradi, ed esplose all’impatto con la rampa di lancio, distruggendola completamente nella più grande esplosione della storia dell’astronautica e ponendo fine a ogni residua speranza sovietica di primato lunare.

La rampa di lancio distrutta.

Questa volta i satelliti spia americani fotografarono la devastazione causata dall’esplosione. Ma l’opinione pubblica mondiale rimase all’oscuro di tutto: il governo statunitense non rivelò le proprie scoperte, sia per non far sapere all’avversario sovietico quanto fossero dettagliate le immagini dei suoi satelliti spia, sia per mantenere una motivazione politica per la corsa alla Luna (che con il ritiro del rivale sarebbe venuta a mancare).

Il Cremlino, da parte sua, mantenne segreto tutto quello che riguardava l’N-1. Il progetto continuò in segreto anche dopo il primo allunaggio di un equipaggio americano, che avvenne a luglio del 1969 con Neil Armstrong e Buzz Aldrin: vi furono altri due lanci del vettore sovietico, ancora una volta senza equipaggio ed entrambi fallimentari.

Il 26 giugno 1971 un rollio incontrollabile portò alla distruzione del vettore dopo circa 50 secondi di volo; il 23 novembre 1972, il razzo funzionò regolarmente fino a 40 chilometri di quota, ma quando mancavano sette secondi allo spegnimento del primo stadio iniziò a subire delle sollecitazioni che portarono alla rottura di alcune linee di alimentazione del propellente e all’esplosione di un motore, che sfociò nella disintegrazione del vettore gigante.

Il modulo lunare russo, il Lunniy Korabl, volò segretamente nello spazio, in orbita intorno alla Terra, quattro volte fra novembre del 1970 e agosto del 1971, con i nomi di copertura Kosmos 379, Kosmos 382, Kosmos 398 e Kosmos 434, lanciato da un vettore Soyuz, e fu considerato pronto per l’uso. L’N-1 fu dotato di motori NK-33 più potenti ed efficienti. I cosmonauti russi continuarono ad addestrarsi per le missioni lunari fino a ottobre del 1973 e il candidato più probabile per l’onore di diventare il primo russo sulla Luna fu il veterano Alexei Leonov, anche se il gruppo di cosmonauti selezionati per la Luna includeva anche Bykovsky, Voronov, Khrunov, Yeliseyev, Makarov, Rukavishnikov e Patsayev. Ma alla fine il programma N-1 fu chiuso formalmente il 2 maggio 1974, senza mai essere stato reso pubblico, e i due vettori già costruiti e non ancora lanciati, insieme a quattro altri esemplari incompleti, furono demoliti.

Rivelazioni

I servizi segreti e i livelli più alti del governo statunitense erano al corrente del progetto N-1 e dei suoi fallimenti, ma decisero di non renderli pubblici. Alcune indiscrezioni trapelarono sui giornali occidentali nel 1969, quando un esperto scientifico britannico, Peter Fairley, diede la notizia di un’esplosione di un vettore gigante sovietico sulla rampa di lancio, notando che un satellite spia americano aveva fotografato i segni della distruzione che ne era conseguita, ma la storia fu considerata come una delle tante dicerie non confermate che circondavano il programma spaziale sovietico e la vita in Unione Sovietica in generale.

Un articolo del quotidiano Il Giorno del 21 novembre 1969 parla di vettori giganti sovietici esplosi. Credit: Gianluca Atti, sua collezione personale.

La rivelazione formale del progetto lunare russo arrivò solo nel 1989, quando i censori sovietici diedero per la prima volta il permesso di parlare pubblicamente del progetto N-1 in una serie di articoli su Izvestiya, Pravda e altre testate.

Oggi l’impresa lunare sovietica è estesamente raccontata da numerosi documentari e da libri riccamente documentati e illustrati, come Pourquoi nous ne sommes pas allés sur la lune, di Vasily Mishin, il quarto volume della monumentale monografia di Boris Chertok Rockets and People e N-1: For the Moon and Mars di Matthew Johnson e Nick Stevens. Dagli archivi, inoltre, sono emersi filmati e fotografie un tempo top secret.

Oltre ai resti degli N-1 disseminati per il Kazakistan e ridotti a un’ingloriosa fine come parti di ovili, di questo coraggioso tentativo di raggiungere la Luna restano ben conservati alcuni esemplari dei moduli lunari sovietici, visitabili nei musei russi e occasionalmente presentati in mostre itineranti in tutto il mondo.

Un modulo di allunaggio sovietico al Science Museum di Londra (2016). Credit: Andrew Gray/Wikipedia

E c’è un’altra, sorprendente reliquia dell’N-1 che ne testimonia la sorprendente modernità.

L’eredità dell’N-1

Il governo sovietico diede l’ordine di distruggere tutti i materiali del progetto N-1, ma dopo il crollo dell’URSS si venne a sapere che una partita di sessanta motori NK-33, che avrebbero dovuto equipaggiare i futuri esemplari dell’N-1, era stata conservata di nascosto.

Questi motori, esaminati dagli esperti statunitensi, risultarono essere straordinari nelle loro soluzioni tecniche (ciclo chiuso) e nelle prestazioni (il più alto rapporto spinta/peso in assoluto per la loro epoca), tanto che furono utilizzati nel 2013, 40 anni dopo la fabbricazione, nei vettori statunitensi Antares della Orbital Sciences, destinati al rifornimento della Stazione Spaziale Internazionale, e poi sviluppati in versioni ancora più efficienti.

E così, alla fine, una parte del sogno infranto russo di arrivare sulla Luna riuscì a contribuire alla storia dell’esplorazione spaziale.

Fonti: Astronautix (1, 2, 3); CIA.gov; Wikipedia.

Questo mio articolo è stato pubblicato per la prima volta su carta nel numero 1/2018 della rivista Spazio Magazine dell’Associazione ADAA e vi arriva gratuitamente e senza pubblicità grazie alle donazioni dei lettori di questo blog. Se vi è piaciuto, potete incoraggiarmi a scrivere ancora facendo una donazione anche voi, tramite Paypal (paypal.me/disinformatico), Bitcoin (3AN7DscEZN1x6CLR57e1fSA1LC3yQ387Pv) o altri metodi.

1973, missione impossibile: un equipaggio Apollo intorno a Venere

1973, missione impossibile: un equipaggio Apollo intorno a Venere

Credit: Mark Grant.

31 ottobre 1973: un enorme vettore Saturn V decolla dal Kennedy Space Center trasportando tre uomini verso una destinazione straordinaria, che viene raggiunta dopo quattro mesi di viaggio, il 3 marzo 1974.

La destinazione è il pianeta Venere, per il primo volo spaziale interplanetario con equipaggio: una missione estrema, che consente solo poche ore frenetiche di passaggio radente per poi sfrecciare di nuovo verso casa, ma che è un trionfo politico d’immagine e un’altra dimostrazione della capacità di coordinamento della NASA, reduce dal successo storico degli sbarchi sulla Luna fra il 1969 e il 1972.

La ricognizione ravvicinata di Venere effettuata dagli astronauti statunitensi rivela una messe di dati sconosciuti su un mondo rovente e inospitale e riporta sulla Terra fotografie indimenticabili quando si conclude, un anno dopo la partenza, con un ammaraggio nell’Oceano Pacifico.

Se state pensando che non vi ricordate di questa missione e di quelle foto indimenticabili, non vi preoccupate: non è mai avvenuta. Ma era stata studiata e pianificata molto dettagliatamente dalla NASA, come descritto per esempio nelle quasi duecento pagine del rapporto Manned Venus Flyby del 1967 e in molti altri documenti tecnici dell’ente spaziale statunitense.

Può sembrare incredibile, ma quando gli astronauti non erano neanche andati intorno alla Luna, men che meno atterrati (Apollo 8, il primo volo circumlunare, sarebbe avvenuto a dicembre del 1968), la NASA pensava già al futuro post-lunare. Nelle sue intenzioni, le infrastrutture, i vettori Saturn V e i veicoli spaziali Apollo progettati per la Luna sarebbero stati riutilizzati in forma leggermente modificata, a costi relativamente modesti, per aprire le porte all’esplorazione interplanetaria con equipaggi.

Oggi quel progetto di volo umano verso Venere è solo un sogno risalente a un’epoca coraggiosa e ambiziosa, ma vale la pena riscoprirne tecniche, segreti e criteri ora che si riparla concretamente di grandi vettori per il trasporto di equipaggi, come il Falcon Heavy di SpaceX e lo Space Launch System della NASA.

Perché Venere?

Può sembrare strano che la NASA avesse scelto Venere e non Marte come destinazione per questo primo viaggio interplanetario umano. Dopotutto, grazie alle sonde Mariner e Venera, si sapeva già dall’inizio degli anni Sessanta che le condizioni al suolo di Venere (pressione atmosferica decine di volte superiore a quella terrestre, temperature oltre i 400°C e venti da 360 km/h) rendevano assolutamente impensabile uno sbarco con equipaggio sul pianeta. Ma c’è una ragione molto concreta: in termini di propulsione, Venere è più facile da raggiungere rispetto a Marte.

La NASA aveva infatti calcolato una traiettoria ottimale che avrebbe consentito di usare un singolo vettore Saturn V, identico a quelli utilizzati per la Luna, non solo per effettuare questo volo inaugurale di passaggio ravvicinato, senza inserimento in orbita (flyby) e con ritorno spontaneo verso la Terra (free return), ma anche per compiere una successiva missione con inserimento in orbita di parcheggio intorno a Venere. Una missione orbitale intorno a Marte, invece, avrebbe richiesto un veicolo ancora più grande del già gigantesco Saturn V (circa il 60% in più) o l’uso di motori nucleari ancora da collaudare e politicamente controversi.

In sostanza, un volo umano verso Venere era fattibile negli anni Sessanta e Settanta semplicemente tenendo aperta la linea di produzione dei vettori esistenti, senza i costi, i problemi e i rischi di un nuovo lanciatore o di un lancio doppio coordinato con assemblaggio in orbita.

Ma la Storia decise altrimenti: l’assassinio del presidente Kennedy, l’uomo che aveva lanciato la sfida spaziale contro la nemica Unione Sovietica come piano per dimostrare pacificamente al mondo la superiorità del modello sociale americano, l’elezione dei suoi successori assai meno innamorati della grandiosa visione kennedyana della Nuova Frontiera dello spazio, il pantano politico ed economico della guerra in Vietnam e la crisi petrolifera degli anni Settanta cospirarono per causare tagli drastici ai budget della NASA e alla disponibilità a correre rischi del Congresso statunitense.

La missione in dettaglio

In concreto, la missione verso Venere si sarebbe svolta in questo modo: il Saturn V avrebbe portato in orbita intorno alla Terra un modulo di comando e servizio (CSM) Apollo, sostanzialmente identico a quelli usati per raggiungere la Luna, che sarebbe stato il veicolo principale, con le funzioni di navigazione e propulsione. Al posto del modulo lunare (LM) usato per scendere sulla Luna e ripartirne, vi sarebbe stato un Environmental Service Module (ESM), un modulo abitabile al quale il CSM si sarebbe agganciato mediante una manovra effettuata durante il volo spaziale, esattamente come faceva con il modulo lunare.

Il terzo stadio del Saturn V avrebbe fornito la spinta iniziale per uscire dall’orbita terrestre e dirigersi verso Venere e poi sarebbe stato trasformato dagli astronauti in un ulteriore spazio abitabile usando i componenti e le attrezzature trasportate nell’ESM: un concetto ripreso in parte con la stazione spaziale Skylab, che fu effettivamente costruita convertendo un terzo stadio di un Saturn V, ma facendo la conversione prima del lancio anziché nello spazio. L’energia di bordo sarebbe stata fornita da alcuni pannelli solari invece di dipendere dalle celle a combustibile usate per le missioni lunari: anche quest’idea verrà ripresa per lo Skylab.

Sezione del veicolo interplanetario Apollo. Credit: NASA.

Durante i 123 giorni di volo verso Venere, i tre uomini dell’equipaggio (le donne non facevano ancora parte dei programmi spaziali della NASA) avrebbero dedicato dieci ore di ogni giorno alle osservazioni scientifiche usando gli strumenti installati nell’ESM. Per la prima volta nella storia dell’astronautica statunitense, avrebbero avuto due ore di tempo libero ogni giorno.

Tanti mesi da trascorrere confinati negli spazi angusti di un’astronave lunga in tutto una trentina di metri, senza neanche una “passeggiata spaziale” salvo emergenze, sarebbero stati infatti una sfida anche psicologica che avrebbe reso impraticabili i ritmi serrati e le pianificazioni meticolose di ogni minuto della giornata degli astronauti che avevano caratterizzato le brevi missioni lunari, e quindi occorreva prevedere delle pause. All’equipaggio sarebbero stati concessi un piccolo proiettore cinematografico, 2 kg di film su pellicola, 1,5 kg di musica, 1 kg di giochi e 9 kg di libri o riviste: un po’ poco per trascorrere oltre un anno nello spazio.

Il passaggio ravvicinato intorno a Venere, invece, sarebbe stato frenetico: circa 45 minuti per le osservazioni a breve distanza (6200 km nel momento di massima vicinanza, correndo a 16.500 km/h), per una mappatura radar delle altimetrie della zona sorvolata e per il lancio di sonde che avrebbero trasmesso dati sulle condizioni atmosferiche del pianeta.

A parte la scienza, però, ci sarebbe stata l’emozione: per la prima volta, sia pure fugacemente, degli esseri umani avrebbero visto da vicino, con i propri occhi, un altro pianeta, riportando fotografie e filmati a colori sicuramente straordinari ma soprattutto offrendoci il racconto del fascino di avventurarsi nello spazio profondo, a milioni di chilometri dalla Terra.

Il viaggio di ritorno avrebbe richiesto molto più tempo dell’andata, ossia 273 giorni, con una traiettoria che avrebbe portato i tre astronauti più lontano dal Sole rispetto alla Terra (a 1,24 unità astronomiche) e poi si sarebbe conclusa, come consueto, con l’eliminazione di tutto il veicolo tranne la capsula conica Apollo (il modulo di comando) e con un rientro nell’atmosfera terrestre a velocità ancora più elevata rispetto ai 40.000 km/h del ritorno dalla Luna.

Gli astronauti avrebbero vissuto in assenza di peso per oltre un anno, avendo a disposizione solo una sorta di cyclette per mantenere il tono muscolare, e sarebbero stati esposti alle radiazioni dello spazio profondo per un periodo ben più lungo rispetto agli astronauti delle missioni lunari: per questo era prevista a bordo una zona particolarmente schermata ed era stata scelta una data di partenza che coincideva con un periodo di attività solare minima che avrebbe ridotto l’esposizione dell’equipaggio.

Perché un equipaggio?

Oggi pensare di rischiare la vita di astronauti mandandoli verso Venere per compiere rilevamenti scientifici sembra assolutamente insensato, ma occorre considerare lo stato dei sistemi automatici dell’epoca, molto meno affidabile e flessibile rispetto a quello delle sonde spaziali di oggi, aggiornabili via software. Con la tecnologia di allora c’era il rischio concreto che una sonda senza equipaggio si guastasse o subisse un imprevisto banale, che una persona sul posto avrebbe potuto compensare ma che una sonda avrebbe trovato insormontabile. Molte missioni senza equipaggio erano già fallite per motivi ignoti o banali.

La NASA, oltretutto, avrebbe dimostrato la superiorità delle missioni con equipaggio proprio con gli sbarchi lunari fra il 1969 e il 1972: gli astronauti sul posto si sarebbero spostati agevolmente, scegliendo i campioni di roccia più adatti, avrebbero ricevuto istruzioni estemporanee sul posto, avrebbero deciso di cambiare il punto di allunaggio per evitare una distesa irta di massi non vista dal computer (Apollo 11) e addirittura riparato i sistemi di bordo (durante Apollo 14, l’astronauta Ed Mitchell avrebbe corretto un malfunzionamento del computer di guida del veicolo spaziale che avrebbe compromesso la missione).

Una dimostrazione analoga sarebbe avvenuta con le missioni Skylab (1973-1974), quando gli astronauti a bordo avrebbero manovrato il telescopio e gli strumenti di bordo per inquadrare precisamente le aree del Sole maggiormente interessanti per le osservazioni scientifiche, con un tempismo e una precisione impensabili con un sistema automatico.

Il progetto Manned Venus Flyby era anche figlio di un’epoca nella quale le vite degli astronauti erano considerate politicamente e socialmente più sacrificabili di quanto lo sono oggi e quindi si accettavano consapevolmente rischi elevati in nome del prestigio nazionale.

Fine di un sogno

Alla fine, però, il volo umano interplanetario verso Venere rimase sulla carta, non solo per i motivi storici e politici già citati ma anche per via del grande progresso avvenuto negli anni successivi nella progettazione di sonde automatiche potenti, versatili e flessibili, i cui costi furono enormemente inferiori a quelli di una missione con equipaggio. La NASA esplorò Venere con la sonda orbitale Pioneer 12 nel 1978 e l’Unione Sovietica riuscì a scattare foto sulla superficie del pianeta, raccogliere dati scientifici e trasmettere il tutto a Terra con le sonde della serie Venera fra il 1961 e il 1983.

E per quanto sia affascinante l’idea di dove saremmo arrivati con un po’ di coraggio e di ingegno, è un bene che il Manned Venus Flyby non sia avvenuto: il 5 e 6 luglio 1974 la Terra fu investita da una grande tempesta di elettroni e protoni emessi dal Sole (una Coronal Mass Ejection), che non ebbe effetti sulla popolazione grazie alla protezione offerta dal campo magnetico terrestre ma avrebbe investito gli astronauti di ritorno da Venere, esponendoli a una dose di radiazioni elevatissima e potenzialmente fatale nonostante la schermatura rinforzata prevista a bordo del veicolo interplanetario Apollo.

La natura, insomma, ha modi assai convincenti di ricordarci che lo spazio è immenso e ricco di pericoli e che l’unica oasi relativamente sicura in tutto l’Universo che conosciamo è la nostra piccola, fragile astronave Terra. Meglio averne cura.

Fonti: False Steps, Wired.com, NasaSpaceflight.com, Spaceflight History, Universe Today, Astronautix; Manned Venus Orbiting Mission, Nasa Technical Memorandum, 1967.

Questo mio articolo è stato pubblicato per la prima volta su carta nel numero 1/2018 della rivista Spazio Magazine dell’Associazione ADAA e vi arriva gratuitamente e senza pubblicità grazie alle donazioni dei lettori di questo blog. Se vi è piaciuto, potete incoraggiarmi a scrivere ancora facendo una donazione anche voi, tramite Paypal (paypal.me/disinformatico), Bitcoin (3AN7DscEZN1x6CLR57e1fSA1LC3yQ387Pv) o altri metodi.

Come si va in bagno nello spazio? Storia di una sfida tecnica

Come si va in bagno nello spazio? Storia di una sfida tecnica

Una versione leggermente ridotta di questo mio articolo è stata pubblicata per la prima volta nel numero di ottobre 2017 di Spazio Magazine dell’associazione ADAA. Ultimo aggiornamento: 2018/07/12 9:20.

La gestione sicura dei rifiuti solidi e liquidi del corpo umano è una questione tecnica essenziale per qualunque missione spaziale, ma raramente discussa in pubblico. Se chiedete a un astronauta come si va al gabinetto nello spazio, spesso risponderà con garbo e discrezione usando le parole rese famose dall’astronauta lunare Charlie Duke: “Very carefully”, ossia “Con molta attenzione.”

L’attenzione è meritatissima, perché in microgravità ciò che si vorrebbe allontanare il più rapidamente possibile dal proprio corpo tende a non farlo: per esempio, la tensione superficiale fa aderire i liquidi al corpo come una pellicola, mentre nel caso dei rifiuti solidi si verifica un particolare effetto di estrusione non lineare che i tecnici chiamano “the curl” (il ricciolo) sul quale forse non è il caso di spendere altre parole per non urtare gli animi più sensibili. Se avete presente come si comporta la pasta d’acciughe quando la spremete dal tubetto, non vi serve sapere altro.

Come se non bastasse, se l’astronauta o cosmonauta riesce ad allontanare correttamente da sé questi materiali indesiderati rischia di trovarsi circondato da una galassia di maleodoranti particelle liquide o solide fluttuanti, che sarebbe ovviamente pericoloso trovarsi addosso, inalare o ingerire e sarebbe poco salutare dover maneggiare o rimuovere dagli apparati tecnici di bordo, dove potrebbero creare intasamenti, contaminazioni e corti circuiti.

Sulla Terra, o su un altro corpo celeste come la Luna o Marte, la gravità fa andare tutto verso il basso nei recipienti appositi, ma in assenza di peso occorre trovare un altro modo di raccogliere e contenere le sostanze indesiderate. In altre parole, creare un gabinetto spaziale che funzioni a dovere è una sfida tecnica impegnativa, spesso taciuta ma assolutamente vitale per qualunque viaggio nel cosmo.

Primi esperimenti

I primi voli spaziali russi e americani con equipaggio furono talmente brevi che il problema della toilette non si pose, con una eccezione notevole: quella di Alan Shepard, che il 5 maggio 1961 divenne il primo americano a compiere un volo nello spazio nel quale ci si dovette confrontare con i limiti fisiologici del corpo umano in questo campo delicato. Il volo di Shepard (suborbitale, mentre i russi avevano già raggiunto l’orbita) aveva una durata prevista di quindici minuti, per cui non era stato previsto alcun sistema di gestione di urina e feci.

Ma il maltempo e alcuni problemi tecnici rinviarono il decollo per quattro ore, e alla fine l’astronauta si trovò costretto ad annunciare ai controllori della missione che aveva bisogno di orinare. Estrarlo dalla capsula sarebbe stato molto complicato e avrebbe richiesto il rinvio del lancio, per cui i tecnici si consultarono e diedero a Shepard il permesso di orinarsi addosso, dentro la tuta spaziale. Il liquido mandò in corto i sensori dei parametri fisiologici sul corpo dell’astronauta, che era coricato sulla schiena per il decollo, ma tutto andò bene e Alan Shepard completò il proprio volo con successo.

Fu avviato un programma di ricerca dettagliato per risolvere la questione, ma i risultati non furono molto positivi, anche perché l’unico modo per simulare l’assenza di peso senza andare nello spazio era (ed è tuttora) effettuare voli parabolici con aerei di linea appositamente modificati, che offrivano soltanto una ventina di secondi di caduta libera, durante i quali intrepidi volontari, e alcune volontarie, dovevano espletare i propri bisogni a comando in quei venti secondi e oltretutto sotto i riflettori delle cineprese che riprendevano da vicino l’intera procedura.

I filmati di queste sperimentazioni non sono mai stati rilasciati, ma leggenda vuole che alcune copie abusive dei test femminili venissero proiettate verso la fine delle feste più vivaci organizzate dagli astronauti e tecnici statunitensi.

Il maschilismo dell’epoca e un’anatomia femminile ritenuta a torto meccanicamente più impegnativa contribuirono per decenni a impedire che le donne partecipassero a missioni voli spaziali di lunga durata.

Queste limitazioni, insieme a quelle imposte dalla capacità di carico dei vettori spaziali che rendevano impraticabile avere a bordo l’ingombro e il peso di una latrina vera e propria, portarono per molti anni a un rimedio molto primitivo: nelle missioni statunitensi Gemini e Apollo, l’urina veniva raccolta in un sacchetto che si raccordava ai genitali maschili tramite una sorta di preservativo modificato e le feci venivano raccolte in un altro sacchetto, dotato di imboccatura adesiva da applicare alla parte interessata, agevolando il distacco delle feci tramite un dito inserito in un’apposita rientranza del sacchetto: a cose fatte, era necessario introdurre nel sacchetto un liquido germicida e impastare il tutto per evitare fermentazioni, perché i rifiuti solidi venivano tenuti a bordo per le analisi post-volo. Quelli liquidi venivano scaricati nello spazio, sublimandosi di colpo e creando una nube scintillante di particelle che l’astronauta Wally Schirra chiamò la Constellation Urion, ossia la “costellazione di Orinone”.

L’urina scaricata nello spazio crea la “costellazione di Orinone” (da National Geographic, aprile 1966). Credit: NASA/National Geographic.

Una fecal bag dell’epoca delle missioni Apollo. Foto mia presso la mostra A Human Adventure, Milano, febbraio 2018.

L’operazione poco gradevole, da effettuare naturalmente in assenza di peso e senza privacy, era complicata, richiedeva molti minuti e spesso non era coronata da pieno successo: vi sono registrazioni memorabili di astronauti (per esempio quelli di Apollo 10, nel 1969) che discutono di chi sia un frammento fecale fluttuante nella stretta cabina.

Trascrizione delle conversazioni in cabina di Apollo 10.
Schema del Waste Management System (sistema di gestione dei rifiuti umani solidi e liquidi) della capsula Apollo. Credit: NASA.

Ai cosmonauti russi delle Soyuz andava un po’ meglio, dato che il veicolo aveva due spazi abitativi separabili che consentivano un minimo di intimità e c’era una rudimentale toilette costituita da un imbuto e da un vasino collegati a un tubo aspirante.

L’addestratore russo per la “toilette” di bordo del veicolo Soyuz. Credit: CSA/Chris Hadfield.

Per le fasi di volo durante le quali astronauti e cosmonauti dovevano restare sigillati nella propria tuta pressurizzata e per le “passeggiate spaziali” si adottò (e si adotta tuttora) una sorta di pannolone, oggi chiamato elegantemente Maximum Absorbency Garment. L’introduzione di una dieta a basso residuo solido e di un clistere pre-volo consentì a russi e americani di contenere il problema ma non di risolverlo del tutto.

Verso soluzioni più dignitose

Con l’avvento delle prime stazioni spaziali (le Salyut sovietiche e lo Skylab statunitense negli anni Sessanta e Settanta del secolo scorso) e dello Shuttle americano fu possibile adibire una parte della cubatura del veicolo a latrina, come avviene anche oggi a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ma non, a quanto risulta, sulla stazione cinese Tiangong, che per queste funzioni usa gli apparati semplificati del veicolo Shenzhou).

Inoltre, dopo tutte le riluttanze degli ingegneri degli anni Sessanta e Settanta, ci si rese conto che l’anatomia femminile era in realtà perfettamente gestibile usando semplicemente un un po’ di destrezza e un imbuto appositamente conformato (aderente al corpo e dotato di un’apertura per l’ingresso dell’aria, diversamente dall’imbuto maschile, per il quale l’aderenza ai genitali non è richiesta ed è anzi sconsigliata).

Lo Shuttle, per esempio, aveva un gabinetto vero e proprio: una piccolissima cabina nella quale l’astronauta si poteva fissare inserendo i piedi nelle apposite staffe per poi orinare dentro un imbuto dotato di impianto aspirante oppure “sedersi” su un sedile dotato di una piccola apertura di dieci centimetri di diametro, anch’essa collegata a un aspiratore.

L’uso di questo gabinetto spaziale richiedeva un apposito addestramento sulla Terra, con tanto di positional trainer: un simulatore fisico nel quale l’astronauta imparava a sedersi correttamente e ad allineare con precisione il proprio sfintere rispetto all’orifizio del gabinetto, con l’ausilio di una telecamera che inquadrava dall’interno della toilette l’intera manovra: sicuramente un modo per contemplare se stessi da un punto di vista inconsueto.

Una volta padroneggiato il positional trainer, si passava al functional trainer, nel quale bisognava procedere concretamente alle evacuazioni, eseguendo inoltre la complessa procedura di attivazione e gestione del sistema aspirante. Non era certo una soluzione agevole, ma era già un passo avanti rispetto al sacchetto o al vasino del passato. L’unico inconveniente era che i rifiuti liquidi spesso si ghiacciavano all’esterno dello Shuttle, causando frequenti intasamenti che rendevano inservibile questa toilette e obbligando gli astronauti a tornare ai sistemi tradizionali.

Questo nuovo sistema ebbe un rodaggio particolarmente sofferto. Durante il primo volo dello Shuttle (STS-1) il sistema di raccolta delle urine funzionò correttamente, ma quello fecale si intasò. Per fortuna c’erano a bordo, come riserva, i vecchi sistemi Apollo.

Durante questa missione di debutto si scoprì anche un altro problema: disseccare le feci usando il vuoto tendeva a generare polveri fecali che, se il sistema non funzionava alla perfezione, si potevano diffondere nell’atmosfera della cabina, cosa che accadde puntualmente durante il rientro di STS-1. Il rischio era che questa polvere entrasse in contatto con gli occhi, il naso o la gola degli astronauti e che l’umidità naturale di queste zone ricostituisse la materia fecale. Una situazione particolarmente indesiderabile. Il gabinetto spaziale fu drasticamente riveduto e semplificato per le missioni successive.

Sulla Stazione Spaziale Internazionale ci sono attualmente due gabinetti, uno nella sezione russa e uno nella sezione statunitense. Entrambi usano gli stessi principi meccanici già collaudati e richiedono lo stesso genere di addestramento all’uso: la gravità viene sostituita dall’aspirazione, un imbuto collegato a un tubo aspirante raccoglie i liquidi e un recipiente metallico in depressione raccoglie i solidi.

La miglioria importante rispetto al passato è che sull’imbocco del recipiente viene fissato ogni volta un sacchetto perforato che raccoglie le feci, riducendo il rischio di dover procedere a catture manuali di particelle fluttuanti. Il recipiente viene periodicamente sostituito ed eliminato mettendolo a bordo dei veicoli cargo destinati a disintegrarsi durante il rientro in atmosfera.

L’astronauta ESA Samantha Cristoforetti alle prese con un simulatore della toilette della Stazione Spaziale Internazionale sulla Terra. In mano ha il tubo aspirante per i liquidi; sul pavimento c’è il recipiente per i solidi. Credit: ESA.

Anche qui non mancano i problemi: l’accumulo di materiale fecale crea odori che si cerca di trattenere filtrando l’aria, lasciando che il freddo dello spazio congeli man mano il materiale e sigillando il contenitore dopo ogni uso, ma queste soluzioni hanno introdotto a loro volta le sfide tecniche denominate coloritamente fecal popcorning (le feci appena espulse tendono a rimbalzare per inerzia sulle pareti e smuovono quelle già congelate, creando un effetto simile al popcorn durante la cottura) e fecal decapitation (il materiale tende a riemergere inaspettatamente durante la richiusura del sigillo e viene tranciato, con effetti comprensibilmente poco entusiasmanti). Essere astronauti o cosmonauti, insomma, richiede sacrifici e impegno anche in questo campo.

Riciclando verso Marte

La tecnologia della toilette spaziale è ormai matura, ma per effettuare missioni nello spazio profondo occorre ridurre i consumi e quindi riciclare tutto il riciclabile: per questo a bordo della Stazione Spaziale Internazionale è stato introdotto dal 2008 un sistema che recupera, distilla e rende potabile l’umidità dell’aria di bordo generata dalla respirazione degli astronauti e gran parte dell’urina del gabinetto della sezione statunitense.

Questo complesso e delicato sistema riduce drasticamente la quantità d’acqua che è necessario portare nello spazio, contenendo i costi e consentendo missioni più lunghe, anche se ha qualche effetto psicologico da prendere in considerazione. Come dice l’astronauta Paolo Nespoli, infatti, il problema non è tanto l’idea che in un certo senso devi bere la tua stessa pipì: è che ti rendi conto che devi berti anche quella degli altri.

Una volta arrivati sulla Luna o su Marte sarà di nuovo possibile sfruttare la gravità per ottenere un gabinetto che funziona in modo normale in termini di raccolta dei rifiuti solidi e liquidi, ma resterà la necessità di riciclare, alla quale si aggiungerà quella di non contaminare l’ambiente circostante: due esigenze che valgono anche nella vita di tutti i giorni e che dimostrano che l’esplorazione dello spazio tende sempre a far emergere soluzioni, valori e principi che hanno un’importanza fondamentale per la coabitazione non distruttiva anche sulla nostra unica, insostituibile, grande astronave Terra.

Per saperne di più

Apollo Experience Report – Crew Provisions and Equipment Subsystem (1972)

Biomedical results of Apollo (NASA)

Packing for Mars: The Curious Science of Life in the Void, Mary Roach (2010) ISBN 978-0-393-06847-4

In the Museum: Toilet Training, Air & Space Magazine (2009)

Apollo Waste Management System, Waste Management (2017)