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Space debris: rifiuti nello Spazio

di Alberto Monte

  • Materie coinvolte: Fisica

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

 

Satelliti e detriti spaziali: generalità

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

 

Formazione e pericolosità dei detriti spaziali

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

 
debris

Figura 1. L’istogramma riporta il numero di eventi che, nel tempo, hanno portato alla formazione di frammenti in orbita. Ogni intervallo nell’istogramma corrisponde a 5 anni, e l’intervallo di tempo complessivo va dal 1950 fino al 2020. I diversi colori corrispondono alle diverse cause.

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

 

impatto simulazione

Figura 2. Simulazione di un impatto ad alta velocità. Un proiettile che viaggia a 7,5 km/s colpisce un bersaglio fermo. Il flash bianco rappresenta il proiettile che si disintegra al momento dell’impatto.

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

Tracciamento e stime numeriche

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

 

istogramma

Figura 3. L’istogramma riporta il numero di detriti spaziali tracciati dal 1960 a oggi. I detriti provengono da fonti diverse, corrispondenti a diversi colori. Con il termine «payload», ovvero «carico utile», si indica tutto ciò che viene portato in orbita da un razzo (satelliti, telescopi, strumentazioni).

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

 

Obiettivo mitigazione

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

 

Sitografia

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

 

Attività per la classe: le missioni spaziali

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

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

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

  3. quali sono le orbite più utilizzate e per quali scopi?

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


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