Piccole Navette e Piccoli Satelliti:

un rapporto problematico basato su un’analogia imperfetta

Dagli anni sessanta, quando fu sviluppato il transistor, la diminuzione di misura e massa è stata collegata con il progresso tecnologico.  Nonostante il costo importante di trasporto in orbita, da 5.000€ a 20.000€ al kg, dagli anni sessanta in poi, nel campo dello spazio il progresso è stato misurato in termini dell’aumento di misura e di massa.  I primi satelliti avevano una massa di circa 10 kg e il primo satellite per la comunicazione dall’orbita geosincrono, Telstar, al suo lancio, 10 luglio 1962, aveva una massa di 77 kg.  In paragone il Terrestar-1 comsat lanciato il 1 luglio 2009 aveva una massa di quasi 7.000 kg.  La ISS (International Space Station) ha una massa in orbita di 417.289 kg!

deck of cardsNonostante il trend dello spazio verso la scala grande, la miniaturizzazione di componenti elettronici e la diminuzione della potenza elettrica richiesta hanno spinto, dagli anni sessanta ad oggi, lo sviluppo di piccoli satelliti soprattutto per opera di gruppi di amatori.   La crescita della capacità dei microsatelliti consentita dalle tecnologie dei microprocessori, delle pile litio-ione, e dei pannelli solari di galllium-arsenide con una capacità 4 volte quella dei pannelli solari al silicio usati all’inizio dell’epoca spaziale, ha reso possibile, dagli anni ottanta, che i piccoli satelliti siano capaci di missioni che vanno oltre quelle amatoriali.   I satelliti GLOMR di massa 50 kg furono usati dagli americani negli anni ottanta per seguire i movimenti dei sottomarini sovietici.  Il satellite HETE, sviluppato dalla MIT negli anni novanta, faceva le prime osservazioni di Gamma Ray Bursts (lampi di raggi gamma) che hanno spiegato l’origine e la fisica del fenomeno più brillante e anche più misterioso mai osservato dall’astronomia.   Negli ultimi 10 anni sono stati sviluppati centinai di Cubesat, picosatelliti di massa di circa 1 kg della grandezza di un pompelmo.

La crescita dell’interesse e delle applicazioni di microsatelliti con masse e prezzi circa l’1% di quelli dei satelliti convenzionali ha spinto lo sviluppo delle piccole navette per il loro lancio fra cui Pegasus e Falcon-1 degli USA, i razzi della serie M e N-1 del Giappone,  Shavit di Israele, Start-1 della Russia e più recentemente il razzo italiano / europeo Vega. Nonostante l’investimento mondiale di miliardi di Euro per la loro realizzazione e i successi di tutti questi razzi e di molti altri, il trasporto in orbita rimane la strozzatura principale che impedisce l’uso di piccoli satelliti.  I razzi più piccoli portano cariche paganti fra 150 e 1.500 kg mentre i loro passeggeri, i microsatelliti, hanno di solito una massa fra 1 e 50 kg, perciò sarà auspicabile che siano lanciati in gruppi.   Purtroppo, i satelliti sono raramente pronti a essere lanciati nello stesso tempo e neanche alle stesse orbite.  Più significativo è il gap fra i costi dei satelliti che vanno da meno di 1.000€ e quelli dei razzi, di decine di milioni di Euro.  Anche se le logistiche permettessero il lancio di dieci o venti microsatelliti insieme, il costo del trasporto sarebbe fra 100 e 1.000 volte più grandi di quello dei satelliti.

Due fattori spiegano la mancanza di piccoli ed economici razzi che sarebbero analoghi ai piccoli ed economici satelliti. Il primo di tale fattore è quello della scala fisica.  L’efficienza di ogni mezzo di trasporto, in acqua, sulla terra, in aria e nello spazio, cresce con la sua misura.  Volare da Roma a New York con un aereo grande come l’Airbus A380 di 600 posti costa meno di mille Euro, mentre lo stesso viaggio con un jet aziendale di 8 posti avrà un costo per ogni posto fra dieci e venticinque volte più alto.  Un pullman trasporta cinquanta passeggeri a un costo pro km pari a tre o quattro macchine che di solito ne portano 8.  L’alta prestazione di un razzo rende anche più grande l’efficienza di scala.

I piccoli razzi costano fino a 150.000€ al chilogrammo di carica pagante mentre i razzi più grandi come Ariane V, Proton e Delta IV-H offrono costi fra 5.000€ e 10.000€ al kg.

Meno ovvio è l’effetto della complessità. I piccoli satelliti sono, di solito e per necessità, semplici.  Non c’è spazio a bordo di un satellite di qualche chilo per strumenti complessi e multipli. Questi sono adattati a missioni semplici.  Invece, ogni razzo orbitale nonostante la sua scala, risulta complesso.  La struttura deve essere leggera perché soltanto qualche percentuale della massa lanciata può essere massa della carica pagante.  Il resto è costituito da propellente, serbatoi, motore, struttura e sistemi elettronici.  La massa è critica ma, allo stesso tempo, la struttura deve essere rigida per sostenere le forze dell’accelerazione e dell’atmosfera.  Per minimizzare la massa, ogni navetta è composta di stadi che devono essere separati quando il propellente è spento.  Anche la busta che protegge la carica pagante delle forze aerodinamiche deve essere gettata mentre il razzo esce dall’atmosfera.  I sistemi di navigazione, di controllo e di comunicazione sono gli stessi, nonostante la scala del razzo.  I costi terrestri, del controllo, del radar e dei sistemi di sicurezza sono quasi gli stessi nonostante la massa che verrà lanciata.

È un paradosso dell’ingegneria spaziale capace di fare missioni di complessità enorme, ma le mancano le tecnologie per missioni meno impegnative.  Possiamo dare la colpa alla terra con il suo campo gravitazionale forte e l’atmosfera spessa e densa.  Ogni navetta deve navigare con precisione e affidabilità su un percorso preciso a 30 km di atmosfera mentre rallentata di gravità durante la sua salita a un altitudine di centinaia di km e deve anche accelerare la sua carica pagante a una velocità di 7.5 km/s.  Queste sfide rendono il costo del trasporto nello spazio migliaia di volte più elevato dei costi dei trasporti terrestri.

Dunque, ironicamente, la sfida più impegnativa per quelli che sviluppano piccole missioni non è lo sviluppo del satellite quanto piuttosto trovare un lancio.   Tranne le missioni governative di alti significati, i piccoli satelliti sono lanciati in modo secondario.  Sfruttano piccoli angolini che altrimenti non saranno usati fra i grandi satelliti, i quali costituiscono le cariche paganti primarie delle grandi navette.  Di solito, il piccolo satellite lanciato in questo modo non paga per i suoi kg lanciati; paga piuttosto per l’ingegneria e la logistica collegate con la sua sistemazione alla navetta, e per i controlli di sicurezza.   La maggioranza delle navette ha sistemi per la sistemazione dei piccoli satelliti ma ogni lancio in quanto tale deve essere progettato su misura.  Il piccolo satellite non ha mai l’abilità di scegliere l’orbita su cui sarà portato e non può scegliere neanche la data del lancio.

Tutti questi impedimenti e i grandi valori offerti dai piccoli satelliti spiegano le prove di tutto il mondo di creare una navetta tanto piccola quanto economica per il loro trasporto, nonostante la fisica e la storia di queste prove indichino che la piccola navetta analogica al piccolo satellite sia un’impossibile.

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