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Come può avvenire il rientro dei detriti spaziali in atmosfera?

Lo scorso mese il rientro insolito nei cieli dell'Oregon del secondo stadio del Falcon 9 ha causato stupore ma come avviene il rientro dei detriti spaziali in atmosfera?

Categorie Come funziona · Missioni spaziali

Dal 1957 ad oggi l’essere umano ha incrementato esponenzialmente la sua ingerenza nello spazio. La maggior parte di queste attività hanno coinvolto, e ancora continuano a coinvolgere, l’orbita terrestre.  Attorno alla Terra orbitano numerosissimi dispositivi che hanno il compito di monitorare la Terra, come  satelliti,  per studiare l’universo, telescopi spaziali e stazioni spaziali come la ISS (l’unica ancora attiva), per studiare la vita nello spazio. Ma come avviene il rientro dei detriti spaziali in atmosfera?

Un po’ come accade sulla Terra, tutto ciò che l’uomo utilizza, una volta che ha perso la sua utilità, diventa un rifiuto e necessita di essere smaltito. Proprio per questo motivo, all’aumento delle attività spaziali, corrisponde un aumento dei detriti spaziali.

Oltre a dispositivi che perdono la loro utilità a causa della fine della loro attività, possiamo trovare anche stadi di razzi che rimangono in orbita per un certo periodo, detriti prodotti da collisioni con apparecchiature spaziali in orbita e a causa di una serie di fattori che porta al deterioramento di strutture spaziali, frammenti di quest’ultime. 

Ultimamente, molti satelliti come quelli di mega-costellazioni come Starlink sono stati dotati di sistemi propulsivi per il rientro controllato in atmosfera, al termine della loro vita operativa. Questo garantirebbe di evitare il problema del sovraffollamento delle orbite basse.

Dove sono situati?

La maggior parte dei detriti spaziali si trova in due diversi tipi di orbite: l’orbita terrestre bassa ( Low Earth Orbit o LEO ) e l’orbita geosincrona ( Geosynchronous Orbit o GEO). L’orbita terrestre bassa, che è compresa tra l’atmosfera e le fasce di Van Allen, va dai 300 ai 1000 km di altitudine. Qui, in modo affidabile, grazie a sistemi radar, possiamo riconoscere solo oggetti al di sopra dei 10 cm, mentre nell’orbita geosincrona, con altitudine di 35786 km dalla superficie terrestre, possiamo notare solo oggetti più grandi di 80 cm, grazie a specifici telescopi ottici.

Tuttavia, la maggior parte dei detriti rimangono inosservati, perché? Perché, la maggior parte degli oggetti osservati in LEO, sono detriti provenienti da oltre 200 eventi di collisione, che hanno creato decine di migliaia di altri oggetti troppo piccoli per essere rilevati, ma non poco dannosi alla vita dei satelliti; infatti un detrito di 5mm è in grado di interrompere o terminare le operazioni dei satelliti in orbita.

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Detriti spaziali in un’orbita GEO visti dal polo (sinistra) e detriti localizzati su orbite LEO (destra). Credits: Wikipedia

Sindrome di Kessler

Una crescita delle collisioni di oggetti in orbita, sia bassa che alta, potrebbe portare ad uno scenario apocalittico, dove le attività spaziali ne uscirebbero terribilmente compromesse. Inoltre, se in futuro si aumenterà l’occupazione delle orbite, potrebbe verificarsi la cosiddetta “Sindrome di Kessler”. Arrivati a questo punto, il volume di detriti nelle orbite sarebbe talmente ampio da provocare collisioni molto frequenti e si innescherebbero delle reazioni a catena cosi grandi, da distruggere gran parte delle apparecchiature spaziali. 

Tutto ciò, ovviamente, non si fermerebbe solamente a disastri in orbita, ma comporterebbe continui impatti al suolo terreste di detriti spaziali. La densità molto alta della nostra atmosfera, ci protegge dalla maggior parte dei detriti di piccole dimensioni, che vengono completamente bruciati prima ancora di oltrepassare l’atmosfera; ma ciò non accade per oggetti di dimensioni notevoli, che vengono solo in parte bruciati in fase di discesa, e quindi metterebbero estremamente a rischio la vita sulla Terra.

Come avviene il rientro dei detriti spaziali in atmosfera? Soluzioni per il rientro dei detriti

Proprio per evitare una situazione apocalittica, che comporterebbe la Sindrome di Kessler, l’uomo ha sempre cercato delle soluzioni per risolvere il problema dei detriti spaziali, attraverso alcune tecniche:

  • I rientri controllati
  • I rientri semi-controllati 
  • Le proprietà dei materiali
  • Il recupero 

I rientri controllati

Rappresentano eventi di ingresso, che consistono nella modifica dell’orbita del satellite (processo di de-orbiting) attraverso una manovra che abbassa il perigeo da quote orbitali a quote adatte per la cattura, in un tempo breve. Questo permette, dunque, il controllo della zona di ricaduta, evitando cosi i pericoli legati al rientro. Per i rientri controllati occorre pianificare opportunamente il sistema propulsivo. Questo è il caso, per esempio, dei satelliti Starlink i quali sono dotati di propulsori ad effetto Hall (motori che sfruttano l’energia fornita dai pannelli solari) che producono la loro spinta espellendo kripton.

I rientri semi-controllati 

Sono eventi che caratterizzano oggetti con orbite particolarmente ellittiche e per i quali la cattura avviene attraverso l’abbassamento del perigeo entro quote idonee ad opera dell’interazione gravitazionale di Sole e Luna.

Come avviene il rientro dei detriti spaziali in atmosfera? Le proprietà dei materiali

Ovvero la costruzione di oggetti destinati allo spazio, vengono realizzati con specifici materiali con punti di fusione bassi, in modo tale da bruciare totalmente (in fase di rientro sulla Terra) nel caso in cui ci fossero dei rientri non controllati.

Il recupero 

Può sembrare assurdo, ma il recupero sembra essere una delle migliori soluzioni del futuro “smaltimento” dei detriti. Ad oggi questa opzione esiste solo in fase sperimentale, ma sono stati fatti notevoli passi in avanti. In particolare, una start-up svizzera, la ClearSpace SA si sta occupando dello sviluppo di tecnologie per il recupero di detriti spaziali in orbita. Il recupero consiste nel lanciare un ulteriore satellite per agganciare e trascinare via dall’orbita un detrito e quindi poterlo far rientrare in maniera controllata.

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Un render della sonda di ClearSpace SA in azione nella cattura di un detrito spaziale. Credits: ClearSpace SA/ESA

Come avviene il rientro dei detriti spaziali in atmosfera? I rientri incontrollati 

Eventi molto pericolosi si verificano quando non è stata eseguita alcuna manovra di de-orbiting, influenzando così l’angolo di rientro che il velivolo spaziale assume a causa del decadimento nell’atmosfera. Pur essendo continuamente monitorati, i detriti che attuano rientri incontrollati, rappresentano un serio pericolo per l’uomo.

Il 27 marzo 2007 un detrito, proveniente da un satellite spia russo, ha sfiorato pericolosamente un Airbus A 340 della LAN Airlines, con a bordo 270 passeggeri, in volo tra Santiago del Cile (Cile) ed Auckland (Nuova Zelanda). L’aereo stava volando sopra l’ Oceano Pacifico che è considerato il posto più sicuro per il rientro di un satellite a causa delle vaste aree di mare inabitate.

Un evento curioso successo di recente è rappresentato dai detriti del secondo stadio Falcon 9. In seguito al lancio di 60 satelliti (una piccola parte della costellazione StarLink) avvenuto il 4 marzo, per qualche motivo, il secondo stadio del Falcon 9 ha continuato ad orbitare attorno alla Terra finché non è rientrato nell’atmosfera, dopo 22 giorni. Nel cielo di Oregon e Washington è apparsa quindi una scia luminosa causata dai pezzi del razzo, diventando virale grazie ai social network.

L’astronomo Jonathan McDowell ha evidenziato che è difficile prevedere la traiettoria di questi detriti. In ogni caso si tratta del 14esimo pezzo di spazzatura spaziale con una massa superiore ad una tonnellata rientrato nell’atmosfera dal 1 gennaio ad oggi. Il problema della “space junk” è piuttosto serio.

A cura di Alessandro Limer

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