Una delle priorità della comunità scientifica americana è lo studio di Urano. Due anni fa, la NASA ha deciso che i prossimi obiettivi delle missioni più complesse dell’agenzia spaziale nel Sistema Solare esterno sarebbero stati Urano ed Encelado, risolvendo così un dibattito decennale sulla questione se la priorità dovesse essere Urano o Nettuno. La missione su Urano è stata provvisoriamente denominata UOP (Urano Orbiter e sonda), indicando che la nave deve essere un orbiter per non limitarsi a sorvolare il pianeta e, inoltre, deve trasportare una sonda per analizzare l’atmosfera del pianeta in situ. L’UOP è attualmente una proposta di missione che non è stata formalmente approvata, anche se la NASA spera di poterla lanciare tra il 2031 e il 2038. Ma c’è un problema e cioè che prima di essere approvata l’agenzia deve specificare il disegno generale e gli obiettivi della missione. missione, che richiede un budget relativamente modesto, ma che non è affatto trascurabile. Purtroppo per ora non ci sono i soldi per portare a termine la missione nei tempi previsti.
Il motivo è che la missione MSR di riportare campioni da Marte ha creato un grande buco nero nel bilancio planetario della NASA e, di conseguenza, l’UOP vede il suo programma in pericolo. Ed è un problema, perché il tempo è contro l’UOP su due fronti. Da un lato perché le finestre di lancio più favorevoli si avranno all’inizio del prossimo decennio. Questo perché l’UOP deve sfruttare l’allineamento favorevole di Giove per raggiungere Urano prima. A seconda della massa finale della sonda, a partire dal 2033 le possibilità di effettuare un sorvolo di Giove si ridurranno o scompariranno del tutto. L’altro orizzonte temporale è il 2050. In quell’anno avrà luogo l’equinozio su Urano, quindi da allora in poi l’emisfero che la Voyager 2 non riuscì a vedere nel 1986 sarà sempre meno illuminato (ricordiamo che Urano ha un’elevata inclinazione del suo asse di rotazione e “si gira sdraiandosi”). Per questo motivo il piano della NASA per l’UOP era quello di decollare nel 2031 (o al massimo nel 2032) con un Falcon Heavy, sorvolare Giove nel 2035 e raggiungere Urano nel 2044, in tempo per osservare i due emisferi illuminati, con speciali enfasi sull’emisfero opposto a quello osservato dalla Voyager 2.
Per risolvere questo problema ci sono solo due opzioni: o utilizziamo un lanciatore più potente e quindi riduciamo il tempo di volo oppure diminuiamo la massa della sonda (o entrambi). Rispetto all’ultimo punto, la riduzione della massa è una questione complessa perché l’UOP è una missione di tipo Flagship che deve trasportare un numero significativo di strumenti scientifici, un’antenna ad alto guadagno che garantisca comunicazioni efficienti dall’orbita di Urano, tre generatori di radioisotopi (RTG) e, soprattutto, il carburante per posizionare la sonda nell’orbita di Urano. E i propellenti rappresentano né più né meno che tra il 60% e il 70% della massa della sonda (circa 1800 kg nel progetto base del 2022). Come ridurre questa massa? Una possibilità molto interessante è l’aerocattura. Questa procedura consente di utilizzare l’atmosfera del pianeta per rallentare la nave da una traiettoria iperbolica rispetto al pianeta ad una velocità orbitale. In cambio, la sonda dovrà essere circondata da uno scudo termico durante tutto il volo verso Urano.
Molti studi di aerocattura sono stati condotti per missioni sui pianeti esterni, sebbene la maggior parte si basi sul sollevamento di corpi o ballute, relativamente complesso da progettare e gestire. Tuttavia, recentemente la NASA ha effettuato studi che concludono che una sonda dotata di uno scudo termico di forma identica a quella utilizzata dai rover marziani Curiosity e Perseverance – con un angolo di 70º – potrebbe effettuare una cattura aerea senza problemi (gli studi hanno analizzati i diametri di 4,5 e 5 metri per UOP). Grazie all’aerocattura, l’UOP avrebbe una massa finale di 5.500 kg invece degli 8.300 kg della variante a propulsione chimica.
Tuttavia, l’aerocattura presenta altri inconvenienti, il principale dei quali è che nessuno l’ha mai provata prima. In effetti, le tecniche di frenata aerea sono state testate in più occasioni su Marte e Venere per ridurre gli apogei delle orbite, ma non è mai stata eseguita una vera e propria aerocattura. Inoltre, nel caso di Urano, bisogna tenere conto che la velocità di ingresso nell’atmosfera sarebbe di circa 27 km/s, contro gli oltre 6 km/s di Marte. Fortunatamente la sonda non deve scendere negli strati profondi dell’atmosfera, ma deve solo frenare quanto basta per rimanere nell’orbita di Urano, quindi il carico termico e la decelerazione sarebbero infatti inferiori a quelli riscontrati durante la discesa di una sonda su Marte ( tra 3 e 3,5 g di decelerazione su Urano con aerocattura contro 11,3 g durante una discesa sulla superficie di Marte). D’altra parte, il fatto che l’atmosfera di Urano sia composta principalmente da idrogeno ed elio significa che il riscaldamento radiativo è molto basso rispetto a un’atmosfera composta da anidride carbonica o azoto.
Come abbiamo detto, se l’aerocattura è una delle soluzioni, l’altra, e più ovvia, è quella di utilizzare lanciatori più grandi. Con l’aerocattura, se utilizziamo il Falcon Heavy di SpaceX — ricordiamo che è il lanciatore scelto per questa missione — è possibile ridurre il tempo di volo su Urano da 13 a 9 anni, oltre a consentire finestre di lancio che sorvolino Giove fino al 2033. Poiché questa data è improbabile a causa di problemi di budget, un lancio nel 2038 utilizzando il Falcon Heavy con cattura aerea e senza sorvolo di Giove impiegherebbe 12 anni per arrivare, appena prima dell’equinozio. Con lanciatori e aerocattura ancora più potenti, come l’SLS Block 2 (più uno stadio Centaur) o la Starship, potrebbe essere raggiunto direttamente in soli 6 o 7 anni, anche se si potrebbe approfittare dei sorvoli di Giove fino al 2035 per ridurre il tempo di volo solo 5 anni. In questo caso l’aerocattura eliminerebbe un altro problema, e cioè che per le traiettorie più dirette è necessario trasportare ancora più carburante per rallentare la sonda nell’orbita di Urano. Con l’aerocattura, una traiettoria molto energetica come quella fornita dall’SLS o dalla Starship non sarebbe un problema.
Pertanto, l’aerocattura sembra la soluzione per salvare l’UOP, anche se è ancora necessario affinare molti modelli per avere chiaro che funzionerà la prima volta (ad esempio, è necessario studiare il regime termico risultante dall’avere tre RTG all’interno di uno scudo termico per molti anni, anche se la sonda Dragonfly fornirà dati in merito trasportando un RTG su Titano per circa 8 anni). Senza cattura aerea, anche utilizzando grandi lanciatori il tempo di volo aumenta. Boeing, principale appaltatore della SLS, propone da anni una doppia missione verso Urano e Nettuno utilizzando un unico SLS (due sonde del peso di circa 6,5 tonnellate ciascuna), ma con la propulsione chimica ci vorrebbero 16 anni per raggiungere Urano e 18 per Nettuno. (a parte il fatto che semplicemente non ci sono soldi per finanziare una missione di questo tipo con due sonde invece di una).
Come vediamo, l’aerocattura consentirebbe di lanciare la missione UOP più avanti nel prossimo decennio, forse senza la necessità di sorvolare Giove, e consentirebbe l’uso di enormi lanciatori come SLS o Starship. La NASA oserà cambiare il progetto dell’UOP per un’opzione più ambiziosa per raggiungere Urano prima? Un’altra alternativa è accelerare lo sviluppo in modo che UOP possa essere rilasciato all’inizio del prossimo decennio. Come abbiamo detto, la NASA non ha soldi per questa opzione, ma se unisse le forze con l’ESA, forse ci sarebbe un’opportunità.
Riferimenti:
- https://ieeexplore.ieee.org/document/10521306
- https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20230016921/downloads/v2Uranus_FlagshipOrbiterProbe_Using_Aerocapture.pdf
- https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20230017193/downloads/Aerocapture_Uranus_Overview_AIAA_SciTech_Dutta_v2.pdf
- https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2024/pdf/1285.pdf
- https://nap.nationalacademies.org/read/12554/chapter/5#75
