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Rottami spaziali - Vittorio Canuto -

Si dice che l'ultimo compleanno da celebrarsi sia il quarantesimo, dopo di che si celebrano solo "eventi" annuali. L'era spaziale, cominciata nel 1957 con lo Sputnik, ha più che compiuto i 40 anni ed è ora che ci prepariamo alle giustificate celebrazioni. È, però, equo e salutare guardare anche agli aspetti meno spettacolari di questo anniversario e fare un piccolo esame di coscienza. Perchè? Per la semplice ragione che dopo di noi verranno, si spera, altre generazioni che vorranno, o forse dovranno, usare lo spazio ultra-terrestre ed è quindi opportuno chiederci come abbiamo, noi pionieri, trattato tale nuovo habitat.

Affrontiamo subito il punto. L'uso dello spazio significa che abbiamo collocato in esso satelliti artificiali (la luna è l'unico satellite naturale della terra) di tutti i tipi, per tutte le finalità, civili e militari, e continuiamo a farlo. Contrariamente a quanto si può pensare, durante gli ultimi 20 anni il tasso di lanci di oggetti nello spazio (che chiameremo genericamente satelliti) è stato costante, circa 125 lanci all'anno, il che vuol dire 2500 oggetti, che sono quelli che dovremmo trovare lassù qualora li contassimo. E qui viene la sorpresa. Negli USA, la NORAD (North American Aerospace Defense Command) con l'aiuto di 17 radar e 6 sistemi ottici, porta avanti da anni un monitoraggio degli oggetti nello spazio (si usano radar per oggetti ad una altezza inferiore ai 5000 km e metodi ottici per oggetti a più alta quota). Quanti oggetti sono stati contati? Circa 7000, non 2500. Qualcosa deve essere successo.

C'è di più. Dei 7000 oggetti, solo il 5% sono satelliti operativi, il resto, il 95%, sono rottami spaziali veri e propri. Satelliti defunti, carenature abbandonate, etc.. E noi che credevamo che l'INQUINAMENTO atmosferico fosse solo "chimico", CO2, nitrati di ossigeno, OZONO, etc. Siamo di fronte ad una vera e propria copertura del nostro pianeta di ferramenta, poco poetica la cosa, ma vera. La NORAD ci dice anche che la dimensione media di tali rottami è di circa 5 m2, ma il picco della DISTRIBUZIONE è attorno ad un decimo di metro quadrato e non ci sono praticamente oggetti superiori ai 100 m2. Le tecniche di misura usate dalla NORAD (il cui vero mandato non è certo quello di seguire rottami spaziali!) non permettono di misurare oggetti inferiori ai 10 cm, il ché crea un grosso problema. Se non possiamo misurarli, non possiamo sapere quanti essi siano.

La popolazione satellitare osservata si crede sia il risultato di tre processi basilari:
1) attività di lancio,
2) deterioramento dei satelliti e
3) frammentazione.

Data la situazione osservata dalla NORAD, è chiaro che il processo naturale che dovrebbe "ripulire" lo spazio, il decadimento orbitale dovuto a frizione con l'atmosfera e quello artificiale di rimozione dei satelliti non più operativi, non è in bilancio con i processi che "creano" tali rottami, con il risultato netto che c’è più produzione che rimozione. Per essere precisi, ecco i dati: il 13% dei rottami è dovuto a operazioni di lancio; il 14% è dovuto a racket bodies; il 20% a payloads non attivi; il 48% è dovuto a frammentazione. Poiché quest'ultimo è il fenomeno che contribuisce maggiormente, è stato studiato con particolare attenzione. Si è scoperto che il 26% è dovuto a frammentazioni volute (per esempio, un satellite con informazioni militari viene fatto esplodere alla fine della sua vita operativa onde non venga catturato), il 33% è dovuto a frammentazioni collegate con la propulsione e ben il 40% è dovuto a processi non identificati. C’è un altro fatto assai interessante: dei 2094 frammenti creati in molti anni di attività da rotture volute, nel gennaio 1987 ne rimanevano solo 737, un esempio di pulizia spaziale non indifferente ma che non basta. È altresì interessante notare che delle 34 esplosioni volute, solo 3 sono degli USA (5 luglio 1966, 13 settembre del 1985 e 5 settembre 1986), mentre le rimanenti 31 esplosioni sono della ex-USSR.

I frammenti dei tre eventi USA ammontano a 184, su un totale di 737. Fra i 1141 rottami dovuti ad eventi ignoti, abbiamo anche contato ben 244 unità che si originarono il 24 luglio 1981 in una "collisione spaziale" del satellite sovietico Kosmos 1275. Non si è certissimi che questa sia stata la causa, ma tutta l'evidenza circostanziale è a favore del fatto che tale satellite sia stato colpito da un oggetto. Questa ipotesi è fortemente corroborata dal fatto che la sua quota di 977km è una regione densamente popolata. Infatti, i dati della NORAD indicano che la DISTRIBUZIONE dei satelliti ha un massimo proprio fra gli 800-1000km, un fatto che desta molta preoccupazione. Bisogna infatti ricordare che lo Space Shuttle e la Stazione Sovietica MIR viaggiano ad una altezza media di 400km e cosi è della Stazione Spaziale americana. I satelliti per la percezione remota, quelli per le previsioni del tempo e quelli per la navigazione, viaggiano in media a 500, 800 e 1000km rispettivamente.

Data l’area di traffico fra i 400 ed i 1000 km, vediamo ora come sono distribuiti i nostri rottami. Non solo abbiamo creato un polverone di rottami, ma questi hanno avuto il cattivo gusto di parcheggiarsi proprio in quella fascia spaziale dove si dovrebbero svolgere le future attività spaziali. Quindi la domanda. Qual è la probabilità che tali rottami colpiscano una stazione spaziale, o altrimenti, qual è la probabilità che un oggetto scenda naturalmente dalla sua orbita? Un satellite a 1000 km di altezza impiega 1200 anni per scendere fino a 900 km, impiega 14 anni per scendere da 600 km a 500 km e solo 54 giorni per scendere da 300 a 200 km. Come vedete, il problema è nel primo numero, 1200 anni, non possiamo aspettare così a lungo e quindi la "pulizia secondo le leggi di natura" non è una scelta possibile. Per quanto riguarda lo Space Shuttle, i calcoli ci dicono che nell'anno 2000, il tempo medio fra collisioni è di 10-100 anni, mentre per la Stazione Spaziale (diametro 100 metri), è di 1-4 anni! Onde porre tali valori nella giusta prospettiva, ricordiamo che la collisone di un oggetto di 1 cm con la Stazione Spaziale è di uno ogni 500 anni se il proiettile è un meteorite naturale, ma è di un impatto ogni 2,5 anni se si tratta di rottami artificiali (la velocità del proiettile si aggira sui 36,000 km orari, cioè più di 30 volte la velocità del suono). Cioè, nel 2000, i rottami spaziali sono di gran lunga più pericolosi dello sciame meteoritico naturale che è sempre esistito.

Un ulteriore esempio di come l'umanità stia creando pericoli assai più seri di quelli naturali. Sia l'Apollo che lo Space Lab vennero disegnati in modo da resistere agli impatti meteoritici. Tali oggetti, dalle dimensioni tipiche di 0.11 mm, permettono che ci si ripari in modo assai agevole (le navi spaziali hanno un costituzione "robusta" per oggetti fino a 3 mm). Una perforazione dell'ordine della capocchia di uno spillo nella cabina dell'equipaggio potrebbe causare la fuoriuscita dell'ossigeno in un giorno. È facile immaginare le conseguenze catastrofiche di tale evento. Ma le cattive notizie non finiscono qui. I satelliti hanno bisogno di energia e l'energia solare non è adatta. Fu naturale che si pensasse all'energia nucleare per le sue ben note caratteristiche di compattezza, affidabilità, durabilità ed EFFICIENZA ENERGETICA (peso rispetto ad energia erogata).

Si devono distinguere due tipi di sorgenti nucleari usate nello spazio: quelle che erogano al massimo fino a qualche kW e quelle che danno decine di kW. Le prime si basano sul decadimento naturale di sostanze radioattive il cui calore viene trasformato in elettricità attraverso l'uso di semiconduttori. Gli USA e la ex-USSR hanno lanciato vari (8 la prima e due la seconda) di questi RTG (radio-isotope thermo-electric generators), per esempio per missioni spaziali tipo Pioneer, satelliti di comunicazione in orbita geostazionaria, etc. Gli USA hanno usato Pu-238 mentre si crede che la ex-USSR abbia usato Po (210).

Quando però le richieste energetiche sono maggiori, gli RTG non sono più sufficienti. Bisogna usare la FISSIONE NUCLEARE per creare quel calore che poi viene trasformato in energia elettrica attraverso l'uso di turbine o "bollendo" gli elettroni di un filamento di tungsteno (da qui il nome termo-ionico). Tali reattori sono stati usati nei satelliti russi RORSAT (Radar Ocean Reconnaisence Satellite) il cui compito era quello di seguire i movimenti della marina avversaria attraverso l'analisi di onde radio riflesse. Dovevano quindi viaggiare a bassa quota, circa 250 km, dove pannelli solari avrebbero incontrato troppa frizione, per non parlare del fatto che l'operazione doveva continuare giorno e notte. Poiché a orbite così basse, il decadimento orbitale non è triviale (si parla di giorni o al massimo settimane), i RORSAT dovevano effettuare delle manovre per mantenersi in orbita, il chè richiede energia. Questi reattori nucleari non vennero schermati perché ciò avrebbe aumentato il peso, con ovvi problemi di lancio. Questi satelliti, della serie Kosmos, usavano come combustibile URANIO 235, e ciascuno ne era dotato di circa 50 kg. Dal primo lancio del Kosmos 198, il 27 dicembre 1967 all'ultimo, il Kosmos 1860, 18 gennaio 1987, si sono lanciati nello spazio 1450 kg di URANIO 235 che, sommati agli 11 kg del satellite americano SNAP-10A, portano ad un totale di ben 1461 kg di URANIO 235.

A posteriori, come ha funzionato l'avventura delle sorgenti nucleari nello spazio? I fatti storici sono i seguenti: per quanto riguarda gli USA, in caso di incidenti, per esempio, non si riuscì a mandare in orbita più elevata la sorgente nucleare al termine dalla sua operazione e precipitò a terra (21 aprile 1964), o appena dopo il lancio il satellite vettore (Nimbus B) precipitò nel pacifico (18 maggio 1968), o il famoso caso dell'Apollo 13 (17 aprile 1970) che atterrò nel pacifico (dopo il famoso "Houston, we have a problem" durante il viaggio alla luna). In tutti questi casi, si trattava di RTG e non ci fu alcun caso di contaminazione radioattiva. Nel caso della ex-USSR, le cose non andarono così bene anche a causa del ben maggior numero di sorgenti nucleari che vennero impiegate. Si calcola che ben 6 siano precipitati a terra, 4 reattori nucleari e 2 RTG. Le date sono: 25 Gennaio 1969, 27 settembre 1969, 24 ottobre 1969, 25 aprile 1973, 24 gennaio 1978, 23 gennaio 1983 e 7 settembre 1983. Il caso forse più noto è quello del Kosmos 954 che precipitò in Canada il 24 gennaio 1978. Un articolo sulla rivista americana Science del 29 settembre 1979 fornisce i dettagli sulle misure fatte della radioattività dovuta ad elementi come Rubidio (103), Zirconio (95) e Niobio (95), tutti elementi la cui vita media è breve. Dopo tale evento, al termine della loro vita operativa assai corta (il più longevo operò per 136 giorni, il Kosmos 1365, lanciato il 14 maggio 1982), si decise di "parcheggiarli" in una orbita attorno ai 950 km, proprio dove i rottami sono in maggior numero. Del senno di poi ....

Qualora la popolazione satellitare rimanesse stazionaria, tali sorgenti nucleari decadrebbero in modo naturale senza subire collisioni catastrofiche. Il problema però è che se si considera che nel futuro altre nazioni useranno lo spazio, la probabilità di collisone rottame-reattore potrebbe diventare certezza. Quando nella loro caduta verso terra, tali sorgenti nucleari scenderanno nelle regioni più basse dell'atmosfera, potrebbero incontrarsi con le strutture spaziali che a quel tempo si pensa siano state costruite, con o senza equipaggio. Tali collisioni sarebbero un disastro senza precedenti. Ma anche qualora non dovessero verificarsi, il materiale nucleare arriverà nell'atmosfera e se si pensa che il materiale del contenitore ed il satellite stesso sono già radioattivi, la massa totale di materiale radioattiva è ben superiore ai 1461 kg citati.

A questo punto bisogna ricordare che durante la sua vita operativa, l'uranio 235 è convertito nei suoi prodotti di fissione che hanno vita media assai più breve dell'uranio originale. Quello che non conosciamo bene è l'ammontare di tale URANIO dopo che il satellite viene spedito nell'orbita di parcheggio sui 1000 km. Poiché la vita media di un satellite è breve, sembra ragionevole assumere che ci siano ancora quantità ragguardevoli di URANIO 235. Aspettare passivamente non è una opzione seria. Bisogna iniziare, dicono N. L. Johnson e D.S. McKnight, due esperti americani, una operazione di "retrieval" che essi giudicano tecnicamente fattibile se si sfruttano le perturbazioni naturali delle orbite satellitari. Studi di vari enti internazionali hanno dimostrato che le tecnologie e l'expertise umano della ex-USSR sono tali da permettere di portare a termine tale operazione usando veicoli tipo Salyut con ripetuti viaggi verso le orbite dove sono ora parcheggiati i reattori. Quando questi reattori siano stati imprigionati ed immagazzinati nel Salyut, tale velivolo potrebbe essere mandato in una traiettoria verso il sole o verso lo spazio esterno.

In conclusione, il primo passo in tale nuova problematica è quello di riconoscere che il problema esiste. Se è vero che oggi la situazione non ha ancora creato seri problemi, è altresì vero che in un futuro non lontano, molte nazioni useranno lo spazio esterno ed i rifiuti spaziali sono destinati ad aumentare. Il problema esisterà dunque ed a quel momento sarà troppo tardi correre ai ripari. Le imprese spaziali continueranno. Quello che dobbiamo fare è ammettere la scarsa attenzione che abbiamo prestato a questi problemi, impegnarsi a risolversi prima che sia troppo tardi e nel futuro, esercitare la massima attenzione. Vari comitati nazionali ed internazionali (per esempio nell'ambito della ONU) stanno lavorando a tale problematica. Aveva ragione Shakespeare quando scrisse nell'Amleto "Ci sono più cose nel cielo, Orazio, di quelle che siano state sognate nella tua filosofia".