La NASA stima che circa 23.000 pezzi di detriti delle dimensioni di una palla da softball o più grandi attualmente turbinano nello spazio. Tutta quella spazzatura significa che un’altra collisione come quella che nel 2009 ha distrutto il satellite Iridium 33 diventa sempre più probabile ogni anno, solo che questa volta la ricaduta potrebbe essere molto peggiore.
“Il problema con i detriti spaziali è che quando si verica una collisione, crei altri detriti spaziali“, ha detto Julian Hammerl, uno studente di dottorato in scienze dell’ingegneria aerospaziale presso CU Boulder. “Hai una maggiore probabilità di provocare un’altra collisione, che creerà ancora più detriti. C’è un effetto valanga“.
Hammerl e un team guidato dal professor Hanspeter Schaub hanno un piano per prevenire questo effetto valanga: i ricercatori stanno si sono rivolti ad uno dei più antichi tropi della fantascienza: il raggio traente, o trattore, come quello che l’astronave Enterprise usa per spostare in sicurezza altre astronavi o piccoli asteroidi.
Immagina questo: in un futuro non così lontano, una flotta di piccoli veicoli spaziali potrebbe sfrecciare intorno alla Terra a caccia dei satelliti morti in orbita geosincrona attorno al pianeta. Quindi, utilizzando dispositivi chiamati “raggi di elettroni“, questi camion della spazzatura spaziale trascinerebbero lentamente quei detriti al sicuro senza doverli mai toccare, il tutto attingendo allo stesso tipo di fisica che fa aderire i calzini ai pantaloni nell’asciugatrice.
“Stiamo creando una forza elettrostatica attrattiva o repulsiva“, ha affermato Schaub, presidente del Dipartimento di scienze dell’ingegneria aerospaziale di Ann e HJ Smead. “È simile al raggio traente che vedi in Star Trek, anche se non così potente“.
Schaub ed i suoi colleghi, però, devono risolvere una serie di sfide, che hanno descritto in numerosi studi recenti. I ricercatori, ad esempio, stanno impiegando una nuova struttura per replicare l’ambiente sorprendentemente complesso intorno alla Terra. Stanno anche cercandi di capire come i raggi traenti potrebbero un giorno rimuovere i detriti dalla regione dello spazio tra la Terra e la luna.
“Toccare le cose nello spazio è molto pericoloso. Gli oggetti si muovono molto velocemente e spesso in modo imprevedibile“, spiega Kaylee Champion, una studentessa di dottorato che lavora con Schaub. “Questo potrebbe permettere di intervenire in sicurezza per la manutenzione dei veicoli spaziali“.
Spazio in una lattina
Champion e i suoi colleghi ricercatori stanno esplorando queste possibilità da un laboratorio nell’East Campus dell’università.
Una manciata di studenti si raggruppa intorno a un cilindro delle dimensioni di un barile di whisky. È fatto di uno spesso strato di acciaio inossidabile con diverse finestre simili a oblò per sbirciare all’interno. Questa camera a vuoto, chiamata Electrostatic Charging Laboratory for Interactions between Plasma and Spacecraft (ECLIPS), può essere pressurizzata.
In circa 24 ore non resta più aria all’interno, creando una piccola sacca di spazio proprio nel mezzo di Boulder. Schaub e il suo team hanno progettato la camera da soli, ed è diversa da qualsiasi altra struttura di ricerca nel paese.
Questo spazio in miniatura è al centro degli esperimenti del gruppo con i trattori elettrostatici. All’interno, si può replicare l’ambiente intorno alla Terra, che non è vuoto ma, invece, inondato da un sottile gas di elettroni liberi e atomi carichi chiamato plasma. Il gruppo può persino simulare i detriti in questa camera usando cubi o forme più complesse fatte di metallo.
Oggi, i ricercatori stanno cercando di imitare le condizioni in quello che Schaub ha definito un “costoso appezzamento di terreno” nello spazio.
L’orbita geosincrona della Terra, o “GEO”, inizia un po’ oltre i trentamila chilometri dalla superficie del pianeta, un viaggio molto lontano dall’orbita terrestre bassa, o “LEO”, dove Iridium 33 ha incontrato la sua fine. Lì puoi trovare alcuni dei satelliti più costosi mai costruiti: veicoli spaziali militari e per telecomunicazioni che raggiungono le dimensioni di scuolabus e pesano ben più di una tonnellata.
Questo spazia sta diventando affollato. Gli ingegneri stimano che ci siano circa 180 potenziali parcheggi orbitali geosincroni in cui i satelliti possono infilarsi. Tutti sono stati rivendicati o sono già occupati.
I raggi traenti, ha detto Schaub, potrebbero essere in grado di spostare in sicurezza i vecchi veicoli spaziali che hanno smesso di funzionare, facendo spazio alla nuova generazione di satelliti.
Legami virtuali
In un certo senso, il concetto del team per “trattore elettrostatico” funziona un po’ come strofinarsi una matita sul maglione di lana per caricarla elettrostaticamente. Innanzitutto, una nave di servizio si avvicinerebbe a un satellite abbandonato da una distanza di circa 15-25 metri, quindi lo colpirebbe con un raggio di elettroni. Quegli elettroni darebbero ai detriti spaziali una carica negativa, rendendo la navicella il polo positivo.
Come dice l’adagio, gli opposti si attraggono.
“Con quella forza attrattiva, puoi spostare i detriti senza mai toccarli“, ha detto Hammerl. “Si comporta come un cavo virtuale“.
Sembra funzionare, anche. Sulla base di esperimenti in ECLIPS e modelli computerizzati, i ricercatori hanno calcolato che un rimorchiatore elettrostatico potrebbe trascinare un satellite del peso di diverse tonnellate per circa 300 chilometri in due o tre mesi. È un ritmo lento, ma abbastanza buono per rimuovere in sicurezza pesanti pezzi di metallo da preziose slot orbitali.
Gli scienziati hanno proposto altre strategie per rimuovere i detriti dall’orbita, come afferrare i satelliti usando arpioni. Ma tutti questi approcci richiedono il contatto diretto con la spazzatura spaziale.
In pratica, tuttavia, l’uso effettivo di un raggio traente nello spazio è pieno di complicazioni.
I satelliti dismessi di solito non stanno fermi e possono persino rotolare all’impazzata nello spazio. Negli studi, Schaub e i suoi studenti hanno dimostrato che se colpisci questi pezzi di metallo con un impulso ritmico di elettroni, piuttosto che con un raggio costante, puoi potenzialmente rallentare la loro rotazione, rendendo sicuro lo spostamento dei satelliti o permettendo addirittura di potersi avvicinare per effettuare riparazioni.
Il team ha anche iniziato a pensare a una regione dello spazio in cui oggi risiedono pochi frammenti di detriti ma che sta per diventare molto più trafficata: lo spazio “cislunare”, ovvero la zona tra la Terra e la Luna.
Champion ha spiegato che il sole emette un flusso quasi costante di plasma, chiamato vento solare. Al di fuori del campo magnetico protettivo della Terra, quell’ambiente di plasma può diventare imprevedibile. I veicoli che lo attraversano possono disturbare il flusso di plasma e generare una scia di ioni dietro di loro, quasi come una barca a vela che solca l’acqua. Tali scie potrebbero, a loro volta, influenzare le prestazioni di un trattore elettrostatico.
“Questo è ciò che rende questa tecnologia così impegnativa“, ha affermato Champion. “Hai ambienti di plasma completamente diversi nell’orbita terrestre bassa, rispetto all’orbita geosincrona o rispetto all’orbita cislunare“.
Per capire cosa aspettarsi nei vari ambienti, Champion e i suoi colleghi hanno potenziato ECLIPS con una “pistola ionica”, un dispositivo in grado di creare correnti in rapido movimento di ioni di argon all’interno della camera.
Secondo Schaub, i raggi traenti potrebbero presto uscire dalla fantascienza. Con il giusto finanziamento, prevede che il suo team sarebbe pronto a lanciare nello spazio un prototipo di trattore elettrostatico in soli 5-10 anni.
“La cosa eccitante di questa tecnologia è che la stessa imbarcazione di servizio potrebbe spostare due o tre o anche dozzine di oggetti durante la sua vita. Ciò ridurrebbe notevolmente i costi“, ha affermato Schaub. “Nessuno vuole spendere un miliardo di dollari per spostare la spazzatura“.
