I planetologi stanno iniziando ad interessarsi al potenziale della Starship

Jennifer Heldmann fissava gli schermi del computer sulla sua scrivania, osservando lo stadio superiore di un razzo che si schiantava in un cratere vicino al Polo Sud della Luna. In nome della scienza, un pezzo di acciaio di 2,3 tonnellate ha colpito la Luna con la forza di 2 tonnellate di TNT.

Era l’ottobre 2009 e Heldmann seguì l’impatto dall’interno dell’Ames Science Operations Center della NASA in California. Scienziata planetaria di 33 anni, stava lavorando alla sua prima grande missione per la NASA coordinando le osservazioni dell’impatto con telescopi terrestri.

La NASA ha cercato di “toccare il ghiaccio” con la missione LCROSS. Sebbene gli sbarchi dell’Apollo negli anni ’60 e all’inizio degli anni ’70 avessero trovato un mondo grigio e arido, da allora gli scienziati erano arrivati ​​a credere che sacche di ghiaccio fossero intrappolate sotto i bordi dei crateri perennemente in ombra ai poli della Luna, i resti di miliardi di anni di impatti. La missione di Centaur consisteva nel far esplodere uno di questi crateri e vedere se gli scienziati avevano ragione.

Dopo aver esaminato attentamente i dati, la NASA ha concluso di aver effettivamente trovato acqua nel pennacchio di vapore sollevato dall’impatto del Centaur, nonché altro materiale espulso dall’esplosione causata dall’impatto.

Per Heldmann, questo è stato un momento cruciale della sua carriera. L’esperienza ha cementato il suo interesse come planetologa per la ricerca dell’acqua.

La scoperta del ghiaccio d’acqua sulla Luna ha avviato un’era in cui i planetologi hanno trovato ghiaccio e acqua in tutto il Sistema Solare, sulle lune incrostate di ghiaccio di Europa ed Encelado, sopra e sotto la superficie di Marte, e potenzialmente in luoghi ancora più remoti, come l’interno di Plutone o la luna più grande di Nettuno, Tritone. Mentre guardavano oltre la Terra, gli scienziati hanno scoperto che l’acqua era quasi ovunque.

Queste scoperte sollevarono ogni sorta di allettanti prospettive. Dove c’è acqua, o c’era una volta, la vita potrebbe essersi sviluppata. Gli scienziati quindi non stavano più solo cercando fossili nei letti dei laghi a lungo asciutti su Marte; iniziarono a cercare organismi viventi nei grandi oceani di Europa, Encelado e altrove. Anche per l’esplorazione umana, la presenza di acqua offriva una grande opportunità. Dove c’è acqua, ci sono i componenti per il carburante per missili: idrogeno liquido e ossigeno liquido.

In non piccolo modo, queste scoperte hanno influenzato l’attenzione dei programmi scientifici e di volo spaziale umano della NASA. La NASA ha sempre più sfruttato il suo budget annuale per la scienza planetaria, circa $ 3 miliardi all’anno, per supportare missioni che potrebbero trovare la vita passata o anche presente su altri mondi. E negli ultimi quattro anni, l’agenzia spaziale ha formulato un piano per inviare astronauti sulla Luna, possibilmente per estrarvi acqua, come passo propedeutico dell’invio di umani su Marte.

Per gli scienziati, ci sono sempre più domande che risposte. E ci sono sempre molte più missioni che vogliono compiere rispetto ai fondi disponibili. L’ubiquità dell’acqua ha solo accresciuto il desiderio degli scienziati di inviare robot nel Sistema Solare per trovare definitivamente i depositi di ghiaccio e gli oceani sotto la superficie e per caratterizzarli. Proprio come stiamo imparando che il Sistema Solare contiene molti più segreti di quanto avremmo potuto immaginare, il che rende la nostra incapacità di recarci sul posto per studiarli particolarmente frustrante.

Ma se potessimo?

Alcuni planetologi hanno iniziato a pensare che il nuovo razzo Starship di SpaceX, con le sue capacità di sollevamento senza precedenti e i bassi costi potenzialmente rivoluzionari, potrebbe aprire il Sistema Solare a una nuova era di esplorazione. Immagina di inviare un lander su Europa, la luba di Giove che ospita un vasto oceano caldo e sotterraneo. Durante i recenti incontri di pianificazione della NASA, gli scienziati hanno preso in considerazione l’idea di inviare un’astronave complessa, dal costo di miliardi di dollari, per condurre la scienza su Europa. Nella migliore delle ipotesi, la speranza è di far atterrare lì un carico utile di strumenti scientifici delle dimensioni e della massa di un mini frigorifero.

Con Starship, al contrario, la NASA potrebbe far atterrare una quantità notevole di carichi scientifici delle dimensioni di una casa non arredata a un piano.

“Puoi davvero sfruttare l’architettura dell’astronave e raggiungere il sistema solare esterno in modi a cui non abbiamo mai pensato prima“, ha detto Heldmann. “Potrebbe fornire un nuovo modo rivoluzionario di esplorare questi mondi“.

Le origini della Starship

Gli ingegneri di SpaceX hanno lavorato seriamente allo sviluppo di Starship per circa cinque anni e negli ultimi dodici mesi circa hanno completato diversi primi voli di prova. Rimane molto lavoro tecnico, ma la società sembra essere sulla buona strada per consegnare un razzo superpesante completamente riutilizzabile, a basso costo e potenzialmente in grado di trasportare fino a 100 tonnellate sulla superficie della maggior parte dei corpi del sistema solare.

SpaceX e il suo fondatore, Elon Musk, vedono Starship come il razzo chiave per portare gli umani su Marte e alla fine costruire lì un insediamento autosufficiente. Ma un tale veicolo avrebbe una miriade di altri usi per scopi scientifici, di esplorazione e di difesa.

Una versione altamente affidabile di Starship probabilmente rimarrà a diversi anni di distanza, ma il veicolo potrebbe iniziare una serie di voli di prova orbitali all’inizio del 2022. Il programma di esplorazione umana della NASA ora ha così tanta fiducia in Starship che l’agenzia spaziale ha selezionato il veicolo per per fornire il sistema di atterraggio del suo programma Artemis Moon.

“L’astronave può portare quantità senza precedenti di carico utile su Marte e altrove“, ha detto Heldmann. “I planetologi devono pensare a come possiamo sfruttare questa capacità perché è straordinaria. E se vogliamo sfruttare queste opportunità, per avere carichi utili sui voli di prova senza equipaggio, dobbiamo andare avanti“.

SpaceX si è avvicinata per la prima volta alla comunità scientifica dei planetologi nel 2018 con una serie di “laboratori su Marte” che hanno affrontato questioni di base come potenziali siti di atterraggio sul pianeta e lacune nella conoscenza che devono essere colmate prima che le persone possano vivere e lavorare in sicurezza sulla superficie.

La società ha invitato nomi di spicco della comunità di ricerca su Marte e diverse dozzine hanno partecipato. Alcuni avevano già accettato la visione di SpaceX, ma altri erano scettici. Nel corso del tempo, mentre SpaceX costruiva e testava i prototipi, anche alcuni degli scettici hanno iniziato a crederci, e ora ritengono che Starship volerà davvero.

“Poiché Starship ha iniziato a sembrare più reale, ha cambiato la mente delle persone“, ha detto Tanya Harrison, una planetologa esperta di Marte che ha partecipato agli incontri. “La scelta della Starship per le missioni lunari è stata un enorme aumento di credibilità“.

Nuovo white paper

All’inizio di quest’anno, molti dei partecipanti al workshop hanno iniziato a riconoscere l’urgenza di coinvolgere la NASA nell’uso di Starship per le missioni scientifiche. Così hanno scritto un white paper (vedi PDF), con Heldmann come autore principale, intitolato “Accelerare la scienza marziana e lunare attraverso le missioni SpaceX Starship“.

Due dozzine di altri ricercatori che si occupano di Marte provenienti dal mondo accademico, industriale e SpaceX, incluso Harrison, hanno firmato il documento. Nel documento si lancia un appello alla leadership della NASA per iniziare a fornire finanziamenti per carichi scientifici che potrebbero volare su Starship.

“La NASA deve sviluppare un programma finanziato in linea con l’approccio di sviluppo per Starship, che includa un programma di sviluppo rapido, una tolleranza al rischio relativamente elevata rispetto alle tradizionali missioni di scienze planetarie e, in definitiva, un elevato rapporto tra potenziale valore scientifico per i dollari spesi in caso di successo“, hanno scritto scienziati ed ingegneri.

Il principale elemento di differenziazione di Starship è la massa. Oggi, quando uno scienziato pianifica una missione per esplorare un altro mondo, ci sono due grandi vincoli: costo e massa. L’astronave potrebbe avere qualche effetto sui costi offrendo più razzi per meno soldi. Ma il cambiamento più grande è che gli scienziati non avranno più bisogno di essere iperconcentrati sulla massa. Possono trasportare più strumenti, più schermature, più di qualunque cosa. “Cambia completamente il gioco“, ha commentato Harrison.

Per anni, la massima priorità di esplorazione planetaria della NASA è stata il ritorno di campioni di rocce da Marte per studiarli nei laboratori ad alta tecnologia sulla Terra. Infine, l’agenzia ha elaborato un piano di base, ha collaborato con l’Agenzia spaziale europea e ha iniziato a ottenere alcuni finanziamenti per la missione Mars Sample Return. Se tutto andrà bene, la NASA spera di riportare indietro alcuni chilogrammi di rocce da Marte entro il 2031.

Poiché Starship può decollare da altri mondi oltre ad atterrare su di essi, potrebbe trasformare completamente una missione di ritorno di campioni su Marte. Invece di essere in grado di gestire 2 chilogrammi di rocce, Starship potrebbe essere in grado di restituirne 2 tonnellate.

Questo tipo di potenziale entusiasma davvero i pèlanetologi, e non solo la generazione più giovane. James Head della Brown University ha aiutato la NASA a selezionare i siti di atterraggio dell’Apollo negli anni ’60 e ha addestrato gli astronauti che sono atterrati lì. Da allora ha intrapreso una illustre carriera.

Head ha firmato con entusiasmo il white paper e ha affermato di apprezzare il fatto che SpaceX abbia una visione avvincente e stia lavorando diligentemente verso tale obiettivo. Al quartier generale di SpaceX a Hawthorne, in California, Head ha detto di aver visto il tipo di giovinezza, energia e determinazione che ha spinto il programma Apollo.

“Essere sul pavimento della fabbrica SpaceX è quanto di più vicino mi sia mai sentito nell’essere stato nel programma Apollo“, ha detto Head.

La NASA lo farebbe?

La creazione di un programma per finanziare specificamente i payload scientifici della NASA su Starship sembra una forzatura in questo momento. La NASA generalmente preferisce assegnare programmi in modo competitivo a più offerenti, non creare un programma specifico per un veicolo specifico.

E anche se la leadership della NASA decidesse di voler creare un programma specifico per Starship per i carichi scientifici, è dubbio che il Congresso (o forse anche la Casa Bianca) sarebbe d’accordo. I membri del Congresso amano i lavori nei loro distretti e stati, e gli appaltatori tradizionali della NASA forniscono questo. SpaceX, al contrario, si concentra molto sulla riduzione dei costi e sull’efficienza. Funziona in relativamente pochi stati e impiega meno subappaltatori.

Quando la NASA ha indetto una competizione per il sistema di atterraggio umano e alla fine ha selezionato l’astronave di SpaceX come unica opzione, il Congresso ha protestato caldamente. Ma quella reazione probabilmente sarebbe addomesticata rispetto alla furia del Congresso nel selezionare un programma di carico utile scientifico solo per SpaceX sulla Luna, su Marte e oltre.

Consideriamo la missione Mars Sample Return. La NASA prevede di collaborare con un importante alleato nello spazio, l’Agenzia spaziale europea, per lanciare un rover per il recupero di campioni (sviluppato in Europa) e un veicolo di ascesa, costruito per la NASA da Northrop Grumman. Questa missione, lanciata non prima del 2026, potrebbe forse volare sul razzo Vulcan di United Launch Alliance. Quindi, un orbiter di ritorno costruito in Europa verrebbe lanciato su un razzo europeo Ariane 6 per riportare sulla Terra una piccola quantità di campioni.

Una tale missione avrebbe probabilmente un ampio supporto politico perché finanzierebbe più appaltatori statunitensi e rafforzerebbe i legami con l’Europa. Al contrario, una missione solo di SpaceX con Starship sconvolgerebbe gli altri appaltatori della NASA, l’Agenzia spaziale europea e i politici che sostengono i loro interessi.

Tuttavia, gli autori del white paper hanno ritenuto importante sottolineare il potenziale valore di Starship, nonostante i venti contrari politici.

“Questa è la realtà politica, hai ragione“, ha detto Head. “D’altra parte, se non lo segnaliamo, non accadrà mai“. Lo sviluppo di Starship è un’opportunità d’oro per la NASA per ripensare a come ha fatto l’esplorazione per più di mezzo secolo, ha detto. Mancarla sarebbe un peccato.

Ci sono altre opzioni disponibili. Diverse persone intervistate per questo articolo hanno suggerito alla NASA di creare un programma “Commercial Mars Payload Services“, in base al quale assegnare contratti per lo sviluppo e la consegna di payload scientifici su Marte.

Prestito dal CLPS

Questo progetto sarebbe modellato sul programma Commercial Lunar Payload Services, o CLPS, dell’agenzia, che assegna denaro a società private per costruire veicoli spaziali in grado di trasportare carichi utili della NASA sulla superficie della Luna. Finora la NASA ha assegnato una mezza dozzina di contratti a una vasta gamma di offerenti e ha un budget totale di $ 2,6 miliardi fino al 2028.

Tale idea è già stata proposta dagli scienziati dell’influente Mars Exploration Program Analysis Group, che ha suggerito che  “un programma simile a CLPS incentrato su Marte potrebbe consentire lo sviluppo tecnologico per l’esplorazione futura e la consegna di carichi utili scientifici“.

Con un programma commerciale su Marte, la NASA potrebbe offrire denaro ai suoi centri sul campo e alla comunità accademica per lo sviluppo del carico utile e quindi affidare agli scienziati la responsabilità di acquistare il trasporto su Marte. Questo potrebbe alleviare parte della tensione politica sulla NASA.

Anche il leader generale della NASA per le missioni scientifiche, Thomas Zurbuchen, ha sostenuto il programma CLPS e la sua disponibilità ad accettare qualche rischio di fallimento. Ha detto che l’agenzia dovrebbe prendere in considerazione tutti i razzi di grandi dimensioni che entreranno in funzione nei prossimi anni e sfruttare le loro capacità.

“Su un arco di tempo di 10 anni, la disponibilità di lanci pesanti, che si tratti di Starship, Space Launch System o altri grandi razzi, è un ingrediente davvero importante che deve essere considerato“, ha detto Zurbuchen in un’intervista.

Un altro alto funzionario della NASA ha parlato con Ars e gli è stato concesso l’anonimato per poter parlare liberamente.

“Penso che la comunità dei planetologi stia prestando attenzione“, ha detto il funzionario. “Stanno guardando. E penso che ci siano grandi cambiamenti in arrivo. Ad un certo punto, il rischio sarà abbastanza basso che le persone inizieranno a proporre una missione di classe Discovery come rideshare su un’astronave. Abbiamo appena lanciato Lucy, e Psiche è in fase di sviluppo. Entrambe le missioni sono state selezionate contemporaneamente, ed entrambe andranno sugli asteroidi. Forse quelle due misssioni avrebbero potuto essere lanciate insieme su una Starship“.

Tutte le cose che potremmo fare

Man mano che gli scienziati iniziano a pensare meno alla massa come un vincolo, incontreranno altri ostacoli alla costruzione di più veicoli spaziali planetari. Solo un numero relativamente piccolo di persone nel mondo sa come costruire tali veicoli e l’addestramento richiederà tempo. Esiste anche un numero limitato di strutture a terra in cui il veicolo spaziale può essere sottoposto a test di vuoto e vibrazioni. Poi c’è il costo: la parte più costosa di un lancio per una missione scientifica non è il razzo ma l’astronave.

“Solo perché la Starship sta volando, non mi aspetto che all’improvviso il budget della direzione della missione scientifica raddoppierà“, ha detto il funzionario della NASA.

Tuttavia, Starship potrebbe eventualmente essere in grado di ridurre quei costi, specialmente con la possibilità di lanci frequenti.

Considera che SpaceX potrebbe fornire un volo regolare di rideshare su Giove ogni due anni. Diverse sonde grandi e piccole potrebbero essere trasportate da una singola Starship, usando la sua potenza e la sua propulsione per raggiungere il sistema di Giove. Una volta lì, ogni veicolo spaziale potrebbe volare nelle proprie orbite o destinazioni e fare affidamento sulla Starship per un collegamento di comunicazione con la Terra. Ciò fornirebbe un enorme risparmio di massa e propellente su ogni veicolo spaziale.

SpaceX intende inviare la sua prima Starship su Marte nel 2024; probabilmente sarà poco più di un volo di prova per dimostrare che l’enorme veicolo può eseguire un’iniezione trans-Marte e poi andare in orbita attorno al pianeta rosso. I tempi sono ristretti per la NASA per spremere eventuali sonde scientifiche su questo primo volo, ma la successiva finestra su Marte si aprirà alla fine del 2026. Sembra un obiettivo più ragionevole sia per SpaceX che per la NASA.

Ci sono un’impressionante gamma di possibilità per la NASA se volesse caricare le Starship dirette su Marte in quel lasso di tempo. Il Jet Propulsion Laboratory della NASA potrebbe costruire un duplicato del rover Perseverance con un set completamente diverso di strumenti scientifici. L’agenzia spaziale potrebbe pilotare un paio di cloni del Mars Reconnaissance Observer per sostituire la sua infrastruttura di comunicazione obsoleta su Marte. Gli ingegneri potrebbero ampliare il Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, o MOXIE, per produrre ossigeno in quantità molto maggiori dall’atmosfera marziana. La NASA potrebbe anche inviare un trapano più grande per scavare in profondità nel sottosuolo per vedere se l’interno è davvero più caldo e umido.

“Saremmo anche felici di riempire un’astronave di Ingenuities“, ha detto la fonte della NASA, riferendosi all’elicottero di grande successo che  ancora vola su Marte dopo l’atterraggio all’inizio di quest’anno.

Lo stesso Musk riconosce l’importanza di impegnarsi con la comunità scientifica e promuovere la fattibilità di Starship. Una notte del mese scorso, Musk ha parlato con gli scienziati delle prestigiose National Academies per più di un’ora, rispondendo a domande su domande degli scienziati su Starship, scienza planetaria e altri argomenti più esoterici.

“Starship è progettata per essere un meccanismo di trasporto generalizzato per il Sistema Solare“, ha detto Musk agli scienziati. “Potremmo portare un oggetto da 100 tonnellate sulla superficie di Europa. È molto più di quanto potremmo fare con un razzo più piccolo. Quindi penso che sia molto eccitante. Ovviamente, abbiamo ancora molto da dimostrare. Ma architettonicamente, è in grado di trasportare quasi ogni massa arbitraria su qualsiasi superficie solida nel Sistema Solare“.

Era un po’ strano, e un po’ tenero, da vedere. Qui c’era Elon Musk, la persona più ricca del mondo, così controversa su Twitter, così controversa nel discorso politico di oggi, che sembrava conquistare alcune delle persone più intelligenti del paese. Gli scienziati hanno apprezzato il suo tempo e sono ansiosi di saperne di più su come Starship potrebbe aiutare la loro ricerca.

Potrebbe esserci del ghiaccio in tutto il Sistema Solare, ma quella notte Musk è riuscito a scioglierne un po’ qui sulla Terra.