L’esplorazione dello spazio ha radici profonde quasi quanto l’umanità stessa. L’uomo ha infatti sempre nutrito curiosità per il cielo e gli eventi astronomici, cercando nel tempo di darne la sua interpretazione e di utilizzare il cielo come strumento.
Un punto di svolta nello studio del cosmo e nella sua esplorazione è avvenuto nel 1957 con il lancio del primo satellite sovietico nello spazio, Sputnik, che ha aperto la strada all’esplorazione umana e robotica dello spazio.
Il grande passo in avanti che ha costituito questo evento è dovuto in larga parte al contesto storico, la Guerra Fredda, in cui si vedeva una forte competizione tra Stati Uniti d’America ed URSS. A questo proposito l’esplorazione dello spazio era alimentata dalla lotta tra le due superpotenze, tanto da essere chiamata in questo particolare periodo corsa allo spazio.
Durante questa prima turbolenta fase i primati nella corsa allo spazio era divisi tra USA ed URSS, dove l’URSS rivendicava il lancio del primo uomo nello spazio, Yuri Gagarin, nel 1961 ed il primo fly-by lunare con il satellite Luna nel 1953 mentre gli USA permettevano all’uomo di posare per la prima volta piede sul suolo lunare con Neil Armstrong nel 1969. Quest’ultimo e significativo evento placa il conflitto lato spazio e successivamente, verso la fine della Guerra Fredda, inizia un periodo di stasi e di riduzione dei fondi destinati all’esplorazione spaziale in cui ci si focalizzava più sull’esplorazione dell’intero Sistema Solare a fini scientifici ed in cui iniziarono le prime collaborazioni internazionali.
Figura 1: Rappresentazione a confronto del modulo di comando e servizio Apollo (NASA) e del veicolo spaziale Soyuz (ROSCOSMOS).
Oggi, lo spazio sta diventando protagonista ed elemento cruciale per l’economia e lo sviluppo del Pianeta intero con la presenza di satelliti destinati ai più differenti usi, come osservazione della Terra, comunicazione e scienza, e contesti, come militare, civile o commerciale.
Il Sistema Solare ed i suoi componenti
Risulta quindi sicuramente utile capire in sintesi come è strutturato il nostro Sistema Solare per poter capire meglio quali sono le opportunità e i prossimi passi da seguire.
Approfondiremo dunque in questo articolo le caratteristiche scientifiche di alcuni oggetti di interesse del nostro Sistema Solare e alcune delle tecnologie impiegate per il loro studio.
Il Sistema Solare è piuttosto antico, si è formato infatti circa 4.5 miliardi di anni fa a partire da una nube di gas estremamente freddo collassata su sé stessa. Esso si trova sul piano della Via Lattea, la galassia a spirale che lo ospita, ad 8 kpc (circa 200 milioni di miliardi di chilometri) dal suo centro.
Il Sistema Solare è un oggetto complesso, formato da 8 Pianeti e diversi oggetti più piccoli, come lune e asteroidi, tenuti insieme dalla gravità del Sole. Il Sole è infatti il collante del nostro sistema, si trova grossomodo al centro di esso e fa da centro di rivoluzione per tutti gli oggetti che ci orbitano attorno. Le orbite dei pianeti sono infatti di forma ellittica e questo è importante per capire come organizzare al meglio gli spostamenti di veicoli tra un oggetto e l’altro all’interno del Sistema.
I Pianeti che compongono il Sistema Solare si suddividono in Pianeti Terrestri, Mercurio, Venere, Terra e Marte, e Pianeti Gioviani, Giove, Saturno, Urano e Nettuno.
Figura 2: Rappresentazione schematica del Sistema Solare con i suoi oggetti e le relative distanze.
La Luna
L’oggetto più facilmente esplorabile e protagonista della corsa allo spazio è il satellite naturale della Terra, la Luna.
La distanza Terra-Luna è pari a 356400 km al perigeo (punto più vicino alla Terra) e a 406700 km all’apogeo (punto più lontano dalla Terra). Essa ha un moto di rivoluzione attorno alla Terra in cui una singola rivoluzione è chiamata mese siderale e dura circa 27 giorni mentre il moto di rotazione, su sé stessa, è pari alla durata del mese siderale, rendendo dunque il moto della Luna attorno alla Terra una rotazione sincrona. La peculiarità di questo tipo di rotazione è che in questo modo il nostro Satellite rivolge sempre la stessa faccia alla Terra.
La vita sulla Terra è sempre stata influenzata dalla presenza della Luna, sia per tenere conto del passare del tempo attraverso le fasi lunari che durante la navigazione con la presenza delle maree.
La Luna allo stato attuale non possiede un campo magnetico come la Terra ed ha un'atmosfera molto rarefatta, la sua superficie infatti è costellata di crateri causati dall’impatto con asteroidi che grazie a queste proprietà del nostro Satellite permangono a distanza di milioni di anni. La superficie lunare è solitamente distinta in mari, caratterizzati da colate laviche ormai raffreddate, e altipiani. Il suolo, inoltre, è costituito dalla regolite lunare, uno strato di detriti simile a polvere, e dalla breccia, ovvero materiale roccioso che si forma durante l’impatto di meteoriti.
La regolite lunare è ciò che ci permette di studiare la composizione della superficie lunare e non solo in quanto grazie all’assenza di atmosfera e di campo magnetico, è possibile anche studiare l’attività solare in base agli atomi depositati dal vento Solare e la presenza di raggi cosmici. Il suolo lunare è costituito dal cosiddetto KREEP, ovvero potassio (K), terre rare (in inglese rare earth elements REE) e fosforo (P) mentre per quanto riguarda gli elementi più comuni si ha Calcio e Alluminio negli altipiani mentre nei mari che sono a prevalenza basaltici abbiamo Ferro e Titanio.
Uno dei materiali di maggiore interesse che possiamo trovare sulla superficie Lunare è l’Elio-3 (3He), un isotopo di particolare importanza in quanto può essere utilizzato nelle reazioni di fusione nucleare e in particolare come combustibile per i viaggi spaziali. Il vantaggio che porterebbe l’utilizzo di questo particolare isotopo dell’elio risiede nella produzione di un solo neutrone facilmente intercettabile durante il processo di fusione e quindi aiuterebbe a risolvere uno dei principali problemi che riguardano la fusione nucleare, ovvero la produzione di neutroni energetici da parte dei reagenti in gioco che causa l’arricchimento dei materiali circostanti e il loro successivo decadimento radioattivo.
Il motivo per cui la fusione a 3He non è stata ancora implementata sulla Terra è la scarsità di questo isotopo sul nostro Pianeta. Esso viene infatti principalmente trasportato dai venti solari e non si può depositare sulla Terra a causa della presenza della magnetosfera che scherma la superficie terrestre dalla maggior parte della radiazione proveniente dal sole. La quantità totale di 3He sulla superficie lunare è stimata essere pari a 6.50 × 10^8 kg, circa quattro ordini di grandezza maggiore rispetto alla quantità che si trova sulla Terra.
La Luna, come descritto, è stata il primo corpo extraterrestre a venire esplorato dall’uomo a causa della relativamente facile accessibilità rispetto agli altri oggetti del Sistema Solare. L’esplorazione del satellite è al momento tutt’altro che conclusa e diverse missioni sono in atto o in preparazione. La missione Indiana Chandraayan 3 è recentemente andata a buon fine con l’atterraggio del Lander il 23 Agosto 2023 nella zona del Polo Sud Lunare. Questo successo ha reso l’India il quarto paese ad aver raggiunto il suolo lunare, dopo gli storici risultati di URSS e USA e l’atterraggio del lander cinese Chang'e 3 nel 2013.
Per quanto riguarda i progetti futuri rivestono particolare importanza gli accordi Artemis, siglati da diversi Paesi e a guida USA, che prevedono di riportare astronauti sul suolo lunare e di costruire stazioni lunari orbitanti.
Marte
Marte rappresenta un altro obiettivo importante per l’esplorazione del Sistema Solare.
Esso è il quarto Pianeta del Sistema Solare e dunque il Pianeta roccioso più lontano dal Sole. Inoltre, è uno dei corpi del Sistema Solare che è meglio conosciuto ed obiettivo di missioni scientifiche e di esplorazione umana e robotica.
Le dimensioni di Marte sono più piccole rispetto alla Terra, il raggio del Pianeta risulta infatti essere circa 53% inferiore rispetto a quello terrestre e la sua massa circa l’11% e presenta due satelliti di relativamente piccole dimensioni chiamati Phobos e Deimos. La superficie marziana è ricoperta quasi totalmente di una fine polvere di colore rosso, dovuta alla presenza di ossido di ferro e idrossido ferrico (Fe(OH3)), essa dona al Pianeta il caratteristico colore rosso che si vede nelle osservazioni in luce visibile e arriva ad avere dimensioni inferiori a 5 μm.
L’atmosfera è composta al 95% di CO2, insieme al 2% di azoto ed il 0.1-0.4% di ossigeno ed è significativamente più rarefatta rispetto a quella terrestre a causa della differenza nelle dimensioni dei due Pianeti che non permette a Marte di avere una gravità sufficiente a trattenere le particelle più leggere. A seconda della stagione la superficie può essere spazzata da venti che raggiungono velocità fino a 100 m/s durante l’inverno mentre durante l’estate le medie si attestano attorno ai 10 m/s.
La temperatura a livello della superficie è anch’essa variabile a seconda della stagione ma in genere si passa da 140 K a 240 K.
Nell’atmosfera sono disperse anche alcune fini goccioline di acqua ma in quantità molto ridotta rispetto alle abbondanze degli altri elementi. La presenza di questa piccola quantità di acqua in atmosfera è regolata dallo scioglimento e indurimento delle calotte polari del Pianeta durante le stagioni. Le calotte intrappolano infatti la quasi totalità dell’acqua presente su Marte e si stima che il ghiaccio ivi presente abbia uno spessore di circa 20 m. La presenza di acqua era stata inferita anche a seguito delle prime osservazioni da Terra a causa della conformazione della superficie, in quanto sono presenti fenomeni erosivi riconducibili alla presenza di acqua in tempi antichi. Attualmente, l’acqua presente sul suolo risulta evaporata e si crede che sia possibile che nel sottosuolo esista uno strato di ghiaccio che non ha ancora subito il fenomeno dell’evaporazione. Il fenomeno dell’evaporazione dell’acqua su Marte rimane comunque un mistero insoluto.
Il pianeta Marte è uno degli oggetti del Sistema Solare meglio conosciuti in quanto diverse missioni si sono concentrate nello studio del Pianeta, sia a livello del suolo, attraverso i rover, che tramite sonde orbitanti. Di particolare rilevanza storica è il programma NASA Mariner, che nel 1965 e 1968 ha consentito, rispettivamente, il primo fly-by al Pianeta e l’installazione del primo satellite orbitante, con la missione Mariner 9.
Attualmente sono attive diverse missioni di esplorazione del Pianeta, a partire dal programma NASA Mars 2020 che nel 2020 ha portato il rover Perseverance ed il drone Ingenuity, al programma ExoMars a guida ESA presente con orbiter e lander fino ai programmi cinese ed emiratino che hanno portato un orbiter ed un rover per quanto riguarda la missione cinese Tianwen-1 ed un orbiter, chiamato Hope, facente parte della missione emiratina Emirates Mars Mission.
Gli oggetti minori del Sistema Solare
Il Sistema Solare è composto da una varietà di oggetti più piccoli dei Pianeti e aventi diversa dimensione e composizione. Possiamo quindi distinguere alcune zone di interesse in base alla loro posizione rispetto al Sistema Solare.
Partendo dai margini di quest’ultimo abbiamo la Nube di Oort, che solitamente viene fatta coincidere con il limite ultimo del Sistema. Essa è composta da una grande quantità di piccoli oggetti ricoperti di ghiaccio che, se perturbati, possono essere osservati dalla Terra come Comete a Lungo Periodo. A seguito di calcoli sull’influenza gravitazionale che i componenti della Nube di Oort hanno sugli altri corpi del Sistema, essa risulta avere la forma di un guscio sferico avente raggio interno pari a 1-2 ⋅ 104 au e raggio esterno di circa 1.5-2 ⋅ 105 au, ovvero dell’ordine di dieci mila volte la distanza Terra-Sole. Da studi più recenti sull’origine della Nube si è ricavato che il numero di oggetti che la compongono dovrebbe essere circa 1011, aventi una massa (stimata) di circa [1-60] M⊕ (masse terrestri).
Più internamente si ha la Fascia di Kuiper, una zona che è anch’essa, come la Nube di Oort, popolata da piccoli oggetti ghiacciati. La sua forma è a ciambella e gli oggetti che le appartengono possono essere raggruppati a seconda del loro moto in popolazione in risonanza: classica, diffusa e indipendente. Le dimensioni della fascia di Kuiper sono di 31 au internamente e di 48 au esternamente. Alcuni degli oggetti più famosi della Fascia di Kuiper sono il Pianeta Nano Plutone e l’oggetto 486958 Arrokoth, visitati anche dalla sonda NASA New Horizons tra il 2015 ed il 2019.
La fascia di asteroidi interna al Sistema Solare è situata tra i Pianeti terrestri e quelli gioviani. Si ha una Fascia Principale che si estende tra circa 2 au e 3.5 au e alcune altre famiglie chiamate Hungaria, Cybele, Hilda e Troiani.
Per quanto riguarda la classificazione spettrale degli asteroidi si è soliti basarsi su quella introdotta da Tholen nel 1984, poi successivamente espansa: C, P, D, B, S, V, A, R, K, L, E, M. Tuttavia, le principali e più comuni sono le classi C, S e M.
La composizione degli asteroidi nella Fascia Principale è variegata, questo fenomeno è presumibilmente dovuto al meccanismo di mescolamento dinamico avvenuto durante la formazione del Sistema Solare. Gli asteroidi di tipo C sono piuttosto ubiqui, con una maggiore prevalenza a partire dalla zona centrale della Fascia Principale, mentre gli asteroidi di tipo S prevalgono nella zona interna e tra la famiglia Hungaria.
Di particolare importanza per future missioni spaziali sono gli asteroidi di tipo C ed M. Negli asteroidi di tipo C, infatti, si possono trovare materiali volatili come H2O, N2, O2, e CH4 che possono essere impiegati in metallurgia, produzione di carburante, in agricoltura e come supporto alla vita nello Spazio. Gli asteroidi di tipo M invece possono essere fonte di materiali come il Germanio, l’Iridio, l’Antimonio, e i restanti metalli facenti parte del gruppo del Platino, oltre che il Platino stesso, Argento, Oro ed altri metalli preziosi.
►Leggi la seconda parte "Il sistema solare, la risorsa del futuro (2/4): l'esplorazione degli asteroidi"
►Leggi la terza parte "Il sistema solare, la risorsa del futuro (3/4): l'esplorazione lunare"
►Leggi la quarta parte "Il sistema solare, la risorsa del futuro (4/4): considerazioni etico-psicologiche sull’esplorazione umana dello spazio"
Fonti
F. E. DeMeo and B. Carry. Solar System evolution from compositional mapping of the asteroid belt. , 505(7485):629–634, jan 2014.
M. J. Duncan, R. Brasser, L. Dones, and H. F. Levison. The Role of the Galaxy in the Dynamical Evolution of Transneptunian Objects. In M. A. Barucci, H. Boehnhardt, D. P.
Cruikshank, A. Morbidelli, and R. Dotson, editors, The Solar System Beyond Neptune, page 315. 2008.
B. L. Ehlmann and C. S. Edwards. Mineralogy of the martian surface. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 42:291–315, 2014.
W. Fa and Y.-Q. Jin. Quantitative estimation of helium-3 spatial distribution in the lunar regolith layer. Icarus, 190(1):15–23, 2007.
H. Karttunen, P. Kröger, H. Oja, M. Poutanen, and K. J. Donner. Fundamental astronomy. Springer, 2007.
D. S. McKay, G. Heiken, A. Basu, G. Blanford, S. Simon, R. Reedy, B. M. French, and J. Papike. The lunar regolith. Lunar sourcebook, 567:285–356, 1991.
T. Montmerle, J.-C. Augereau, M. Chaussidon, M. Gounelle, B. Marty, and A. Morbidelli. 3. solar system formation and early evolution: the first 100 million years. Earth, Moon, and Planets, 98:39–95, 2006.
J. H. Oort. The structure of the cloud of comets surrounding the Solar System and a hypothesis concerning its origin. Bulletin of the Astronomical Institutes of the Netherlands, 11:91–110, Jan. 1950.
M. D. Smith. Spacecraft observations of the martian atmosphere. Annu. Rev. Earth Planet. Sci., 36:191–219, 2008.
F. W. Taylor, H. Svedhem, and J. W. Head. Venus: the atmosphere, climate, surface, interior and near-space environment of an earth-like planet. Space Science Reviews, 214:1–36, 2018.
R. C. Weber, P.-Y. Lin, E. J. Garnero, Q. Williams, and P. Lognonné. Seismic detection of the lunar core. science, 331(6015):309–312, 2011.
J. J. Wray. Contemporary liquid water on mars? Annual Review of Earth and Planetary
Sciences, 49:141–171, 2021
Immagini: OpenAI / ROSCOSMOS / autrice
