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Artemis I – Ritorniamo sulla Luna!

Dopo 50 anni dalla conclusione del programma Apollo finalmente torneremo sulla Luna! Negli ultimi 10 giorni abbiamo raccontato sui nostri social il programma, un pezzo per volta. Eccovi quindi il mega-articolo di riassunto, in cui troverete (quasi) tutto quello che c’è da sapere!

Il programma Artemis

Il logo del programma Artemis: La punta della A giace oltre alla Luna, a indicare che questo è solo il primo passo verso Marte, la scia rossa è speculare a quella del programma Apollo e ricorda il logo della NASA e il colore di Marte. Il tutto a partire dalla falce azzurra di Terra, a indicare da dove proveniamo e dove ritorneranno tutte le ricadute scientifiche e tecnologiche di questa impresa.
Il logo del programma Artemis: La punta della A giace oltre alla Luna, a indicare che questo è solo il primo passo verso Marte, la scia rossa è speculare a quella del programma Apollo e ricorda il logo della NASA e il colore di Marte. Il tutto a partire dalla falce azzurra di Terra, a indicare da dove proveniamo e dove ritorneranno tutte le ricadute scientifiche e tecnologiche di questa impresa.

Il nome scelto per questo nuovo programma è quello di Artemide, dea della caccia e della Luna, sorella di Apollo. La sua storia però non è semplice. Il programma nasce dalle ceneri di Constellation e Shuttle (cancellati durante la presidenza Obama) ed è figlio della nuova filosofia NASA di includere i privati nei suoi programmi di esplorazione spaziale, come già successo con le missioni di rifornimento e di trasferimento astronauti per la Stazione Spaziale Internazionale (SpaceX, Northrop Grumman, Boeing). Costo complessivo attuale: 35 miliardi di dollari, una frazione del programma Apollo.

La spina dorsale di Artemis è costituita da due veicoli: la capsula Orion e il lanciatore SLS, che saranno costruiti dalla NASA. A questi si aggiungerà il Lunar Gateway, una stazione spaziale modulare più piccolina della ISS che sarà costruita dalla NASA e dalle altre agenzie spaziali che collaborano al programma. Ovviamente c’è anche l’ESA, e i suoi moduli saranno costruiti alla Thales-Alenia di Torino!

La capsula Orion

Questa è l’astronave vera e propria che porterà nuovamente gli esseri umani sulla Luna! O almeno, fino all’orbita lunare.

Da destra a sinistra: la capsula Orion, il modulo di servizio europeo con i pannelli solari, e lo ICPS (interim Cryogenic Propulsion Stage), il secondo stadio di SLS.

Orion è molto più grande e spaziosa della famosa Apollo: 5 metri di diametro e 3,30 di altezza, per un volume pressurizzato di 20 metri cubi (dei quali 9 abitabili, 50% in più di Apollo). È noto anche come “modulo equipaggio” (crew module), ed è l’oggetto che fisicamente ospiterà gli astronauti (4 per Artemis, 6 per missioni verso la ISS), e che li riporterà sani e salvi a Terra grazie allo scudo termico e ai paracadute. È anche riutilizzabile! Come Apollo il suo recupero avverrà dalla superficie dell’oceano. Ha già volato nel dicembre 2014, in un lancio di test.

Attaccato alla capsula c’è il “Modulo di servizio”, costruito dall’ESA. Contiene tutti i sistemi vitali per il volo nello spazio profondo della capsula: la produzione di energia (pannelli solari da 11 kW con 19 metri di estensione e batterie), i propulsori per le correzioni orbitali, il sistema di aborto missione ad alta quota, le riserve di acqua e ossigeno, il sistema di controllo temperatura e tutto il carico scientifico non pressurizzato. È basato sul design dell’ATV, che la Airbus produceva per rifornire la Stazione Spaziale Internazionale. È grande circa come il modulo di servizio dell’Apollo, ma pesa circa la metà e può supportare un equipaggio di 4 astronauti per 21 giorni, invece che 3 astronauti per 14.

Anche Orion ha avuto una storia molto travagliata, dagli albori del programma Constellation alla sua cancellazione nel 2011. Ora però è qui, costruita e funzionante, ipertestata in ogni suo centimetro quadrato.

Il sistema di sicurezza

Bisogna sempre essere pronti a tutto, anche al peggio. Ed è qui che entra in scena il Launch Escape System, il sistema di aborto missione.

Rendering del Launch Escape System in funzione, dopo aver portato in salvo la capsula.

È quella “cintura di sicurezza” che garantisce la sicurezza degli astronauti durante la fase più pericolosa e critica della missione: il lancio. Non passi da 0 a 28.000 km/h in 300 secondi senza prenderti qualche rischio. Tipo mettere sotto al tuo sedile qualche migliaia di tonnellate di combustibile solido, idrogeno e ossigeno liquidi e poi accendere la miccia.

Il LES è quella torretta che si vede in cima al razzo SLS (e che appare anche in tutti i razzi con equipaggio come Saturn V e Soyuz. Tranne il Falcon 9, ma perché la Crew Dragon è il top e ha il LES incorporato). È dotata di tre motori a combustibile solido molto potenti. Il primo è il motore di abort: è in grado di accelerare la capsula a 650 km/hr in due secondi, con accelerazione di picco di 12g. Dodici volte la gravità terrestre. Pericolosa, ma meno che esplodere insieme al razzo. Il secondo motore è quello di espulsione, serve per allontanare la torretta dalla capsula quando non è più utile (perché non è successo niente, o perché ha svolto la sua funzione). Il terzo è un motore di controllo assetto, per mantenere il tutto dritto durante il volo. La capsula eseguirebbe poi uno splashdown nell’Atlantico al largo della Florida.

La torretta del LAS viene però espulsa dopo 120 secondi di volo, poco dopo che i booster solidi laterali si sono esauriti e staccati. Cosa succede se va storto qualcosa dopo i due minuti?

Orion ha tre altre modalità di aborto missione. Dopo i 120 secondi il piano prevede che Orion accenda il suo motore AJ-10, in grado di allontanarla senza problemi da SLS dopo che questo ha “scaricato” i due booster laterali (che forniscono gran parte della spinta iniziale). In tal caso la capsula farebbe uno splashdown al largo di Spagna o Marocco.

Se il problema emerge quando la capsula è già in orbita allora l’idea è che Orion si stacchi e usi i propri motori per invertire la rotta, ammarando nell’Oceano Pacifico (Abort Once Around, AOA). Se invece succede durante le fasi finali di volo allora la capsula userebbe il motore per completare l’inserimento orbitale (Abort To Orbit, ATO), con un successivo rientro a Terra entro 24 ore.

Il razzo SLS

Il vero protagonista di questo lancio è ovviamente lui, lo Space Launch System (SLS), il razzo erede del Saturn V e dello Space Shuttle. Per andare sulla Luna serve TANTA energia, perché il pozzo gravitazionale terrestre è più intenso di quanto pensiate: dopotutto la velocità di fuga dal nostro pianeta è di oltre 11 km/s (circa 40.000 km/h).

Ecco il primo Space Launch System (SLS) completo con in cima Orion, fotografato lo scorso 17 agosto al Pad 39B. Crediti: NASA/Joel Kowsky
Ecco il primo Space Launch System (SLS) completo con in cima Orion, fotografato lo scorso 17 agosto al Pad 39B. Crediti: NASA/Joel Kowsky

SLS è un razzo misto: come lo Shuttle possiede dei motori principali che bruciano idrogeno e ossigeno liquido (HydroLOX), affiancati da due booster laterali al combustibile solido. La spinta alla partenza è impressionante: 39 meganewton, pari al peso di un oggetto di 4000 tonnellate di massa.

Molti pezzi di SLS sono recuperati dal programma Shuttle: sia i booster laterali che i motori del primo stadio (gli RS-25) sono riciclati. Al contrario dello Shuttle però nessun componente di SLS viene riutilizzato. Al momento ci sono abbastanza motori RS-25 “avanzati” da permettere quattro lanci di SLS (4 motori ciascuno) e i booster per otto lanci. Esauriti i pezzi in magazzino la NASA comincerà a produrre dei booster e dei motori nuovi, apposta per SLS, più potenti e meno costosi proprio perché non riutilizzabili.

SLS Block 1 Crew e i suoi vari componenti
SLS Block 1 Crew e i suoi vari componenti

Anche per questo SLS avrà svariate versioni. Quello sulla rampa di lancio al momento è un Block 1, dotato di pezzi Shuttle. È alto 98 metri e ha una massa di ben 2500 tonnellate a pieno carico! Il diametro del primo stadio è di ben 8,4 metri. È in grado di lanciare verso la Luna 27 tonnellate di massa (che salgono a 95 per l’orbita terrestre bassa). Con la quarta missione verrà sostituito il secondo stadio, con lo Exploration Upper Stage (più potente). SLS Block 1B avrà un’altezza di 110 metri e 42 tonnellate di carico utile per la Luna! Sarà con questa versione che si comincerà a usare il Lunar Gateway e a costruire l’habitat lunare. Infine, dalla nona missione in poi, con l’esaurimento di tutti i pezzi Shuttle e la loro sostituzione con materiale aggiornato, sarà operativa la versione Block 2: 41 MN di spinta, e oltre 46 tonnellate verso la Luna. Per i Block 1B e 2 è prevista anche una versione puramente cargo.

Le versioni future di SLS sono veramente impressionanti!
Le versioni future di SLS sono veramente impressionanti!

Quanto costa? Tanto: il programma SLS-Orion (razzo e capsula sono stati sviluppati insieme) ha un costo totale di 23 miliardi di dollari, con un prezzo di 2 miliardi a lancio! Ancora cifre contenute rispetto a quello che fu Apollo.

La missione Artemis I

Patch della prima missione, Artemis I

Artemis I sarà una missione dimostrativa senza equipaggio, ma non per questo meno importante. Orion eseguirà esattamente le stesse manovre che saranno compiute dagli astronauti reali, quando partirà Artemis II nel 2024, ed è per questo che la sua riuscita è vitale per l’intero programma lunare. Avrà una durata complessiva di 42 giorni, dal 29 agosto al 10 ottobre.

Dopo che SLS avrà messo Orion in orbita terrestre toccherà al secondo stadio (noto come Interim Cryogenic Propulsion Stage o ICPS) mandare la capsula verso la Luna. Una volta eseguita la manovra lo ICPS si staccherà dalla capsula e verrà “parcheggiato” in un’orbita eliocentrica.

Orion proseguirà verso la Luna, e il 4 settembre eseguirà un flyby molto ravvicinato: appena 100 km dalla sua superficie! In seguito il modulo di servizio europeo accenderà i propulsori, inserendo la capsula in orbita attorno alla Luna. La traiettoria scelta è una “orbita retrograda distante” (Distant Retrograde Orbit, DRO), cioè un’orbita che ruota al contrario rispetto all’orbita lunare (in senso orario invece che antiorario) e che porterà la capsula a circa 70.000 km di distanza dalla Luna. La DRO verrà mantenuta per un mesetto circa, durante il quale saranno raccolti tutti i dati utili alla missione. Il 5 ottobre Orion abbandonerà la DRO, e un altro flyby lunare ravvicinato la indirizzerà verso Terra. Il rientro è previsto per il 10 ottobre, con un ammaraggio al largo della California.

Piano di volo di Artemis I, commentato in inglese. Fonte

Orion non sarà da sola durante il suo viaggio. Ci sono dieci CubeSat che sono stati selezionati come carico secondario, e che sono installati all’interno dell’interstadio di SLS (tra il primo e il secondo stadio). I satelliti saranno rilasciati nelle loro orbite poco dopo il distacco dell’interstadio, e proseguiranno ciascuno per i conti propri verso la Luna. I dieci satelliti sono alquanto variegati, e si prefiggono svariati obiettivi scientifici, dalla ricerca di ghiaccio e idrogeno (Lunar IceCube, LunaH-map) ad addirittura un lander per lo studio delle radiazioni (OMOTENASHI, della JAXA). Ce n’è anche uno tutto italiano: ArgoMoon!

L’Italia sulla Luna

C’è un pezzo di Italia sul razzo che fra meno di 24 ore partirà per la Luna, inaugurando così il programma Artemis.

ArgoMoon durante l'assemblaggio. Crediti: Argotec, ASI
ArgoMoon durante l’assemblaggio. Crediti: Argotec, ASI

Si chiama ArgoMoon, ed è un cubesat (un microsatellite) realizzato da Argotec e ASI (la nostra agenzia spaziale). Le sue dimensioni sono molto compatte, come vedete anche dalla foto: poco più di una scatola di scarpe (20x30x10 cm) per 14 kg di massa. Noi DOMANI saremo live, dalle 12:00 per seguire la missione Artemis I, e avremo come ospite uno dei ricercatori che hanno lavorato proprio su ArgoMoon!

La missione del cubesat è semplice: “il compito di ArgoMoon sarà quello di fornire alla NASA le immagini significative a conferma della corretta esecuzione delle operazioni del vettore SLS, che al momento del rilascio dei CubeSat non potrà inviare segnali verso Terra.” Al termine della sua missione, stimata in circa 6 mesi, il satellitino entrerà in orbita attorno al Sole, e sarà infine spento.

Il software è stato sviluppato sempre da Argotec, che fa base a Torino, e permette al satellite di navigare in totale autonomia. Questi gioiellini della tecnica sono in grado di fare compiti ormai sempre più complessi, roba che un tempo avrebbe richiesto un satellite vero e proprio molto più grande e complesso. Miniaturizzazione e intelligenza artificiale ci hanno permesso di fare davvero dei salti da gigante in pochissimi anni!

ArgoMoon è uno dei dieci microsatelliti che verranno lanciati insieme a Orion verso la Luna, e il loro rilascio è previsto al termine delle operazioni di SLS, quando la capsula si staccherà dall’interstadio.

I passeggeri

Orion non sarà da sola nel suo primo volo verso la Luna! A bordo infatti ci saranno due passeggeri d’eccezione: Helga e Zohar.

Helga e Zohar, pronte per partire per Orion! Crediti: DLR, ESA
Helga e Zohar, pronte per partire per Orion! Crediti: DLR, ISA, ESA

Questi due manichini (un po’ inquietanti) sono stati sviluppati dall’agenzia spaziale tedesca in collaborazione con quella israeliana. Hanno uno scopo molto semplice: misurare quanta radiazione assorbe il corpo umano nello spazio, e come i materiali sviluppati appositamente aiuteranno a minimizzare questo fenomeno.

Entrambi i manichini sono modellati sul corpo femminile, questo perché le donne hanno un rischio maggiore di sviluppare patologie tumorali a causa dell’esposizione prolungata a radiazione. Abbiamo già molti studi sull’effetto delle radiazioni nello spazio, ma nessuno di essi ha mai differenziato tra donne e uomini. Helga volerà senza protezione, Zohar invece indosserà una veste antiradiazione sviluppata appositamente. Confrontando i due manichini al loro ritorno capiremo quanto è efficace, o anche solo necessaria.

Esperimenti simili sono stati fatti dalla DLR con altri manichini (come Matroshka nel 2004) a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. Sulla ISS gli astronauti sono esposti a una radiazione di fondo 250 volte superiore a quella che sperimentiamo noi sulla superficie terrestre (a causa dell’assenza del velo protettivo dell’atmosfera). Nello spazio interplanetario, fuori dal campo magnetico terrestre, tale valore può salire anche a 700 volte.

E le fasce di Van Allen? Non avrebbero dovuto uccidere sul colpo gli astronauti Apollo? Semplicemente, no. Questa fasce sono cinture di particelle che avvolgono il nostro pianeta, un po’ come i fasci dentro un acceleratore come LHC. Sono sì ad alta energia, ma sono MOLTO rarefatte, la carlinga della capsula (che sia Orion o Apollo) le ferma molto efficacemente e soprattutto gli astronauti trascorrono pochi minuti al loro interno, essendo molto ravvicinate alla Terra.

Il problema della radiazione interplanetaria non è generato dalle fasce di Van Allen, ma dalle particelle provenienti dal Sole e dai raggi cosmici, roba molto più energetica che potete sperimentare anche semplicemente con un volo intercontinentale ad alta quota. La tratta Roma-New York equivale come dose a farsi una radiografia toracica! Gli astronauti trascorrono molto più tempo ad alta quota, e quindi accumulano più rapidamente la loro dose di radiazioni. Ecco perché tra una missione e la successiva ci sono lunghi periodo di riposo, che si applicano in piccolo anche ai piloti e gli assistenti di volo delle compagnie aeree!

Il Lunar Gateway

Uno dei pezzi più entusiasmanti dell’intero programma Artemis sarà la stazione spaziale cislunare, il portale per le operazioni nello spazio profondo… il Lunar Gateway.

Schema etichettato del Lunar Gateway. In azzurro i moduli confermati, in giallo quelli temporanei (visitatori), in rosso quelli in dubbio.

Il Gateway sarà una stazione modulare più piccolina della ISS, ma funzionale. Il design è semplice: il nucleo della stazione è costituito da due moduli, di fabbricazione americana e che saranno lanciati con un Falcon Heavy della SpaceX nel novembre 2024.

Il primo (il più a sinistra) è il PPE: Power and Propulsion Element. In pratica il modulo che si occupa di generare l’energia della stazione (vedete quei bei pannelli solari?) e dotato dei motori in grado di spostarla. In totale il Gateway avrà a disposizione 50 kW di potenza e una serie di motori a effetto Hall (comunemente noti come propulsori ionici).

Subito a destra del PPE, al centro della “croce” della stazione, c’è HALO, lo HAbitations and Logistics Outpost. Cioè il modulo abitativo, in cui gli astronauti Artemis trascorreranno il loro tempo in orbita lunare, dedicandolo alla preparazione delle attività di sbarco e agli esperimenti scientifici.

A questi si aggiungono due pezzi costruiti da noi europei, alla Thales Alenia. Sono noti collettivamente come ESPRIT (traducibile con “sistema europeo di rifornimento, infrastruttura e telecomunicazione”). Il primo è il sistema di comunicazioni, HLCS, e partirà direttamente insieme a HALO. La seconda parte è il sistema di rifornimento carburante (ERM), il pezzo ottagonale piccolino subito sopra a Halo. Lancio nel 2027 con SLS 1B.

L’ultimo pezzo importante è un’estensione del modulo abitativo, I-HAB, euro-giapponese. Lancio previsto nel 2026 con SLS 1B, è il cilindro argentato a destra di HALO.

Gli altri moduli visibili nella grafica sono i visitatori temporanei: in alto abbiamo il “Gateway Logistic Module” GLM, che si occupa dei rifornimenti, in basso lo “Human Landing System” HLS, che in realtà sarà la Starship di SpaceX, e all’estrema destra la capsula Orion con il suo modulo di servizio made in ESA. La sfera che si protende da I-HAB sarebbe l’airlock per le attività extraveicolari. Era responsabilità della Roscosmos, ma la federazione Russa si è sfilata da Artemis nel gennaio 2021.

Le prossime missioni

Il futuro del programma Artemis è molto più ambizioso di ciò che fu Apollo.

Apollo, alla fine dei conti, aveva l’obiettivo di dimostrare che la tecnologia aerospaziale USA era superiore a quella sovietica. E quindi sulla Luna si andò mordi e fuggi, raccogliendo qualche campione e facendo foto (un po’ riduttivo messa così). Artemis vuole aumentare esponenzialmente la quantità di ricerca scientifica eseguita in loco, oltre a dimostrare che possiamo, se lo vogliamo, vivere a lungo nello spazio profondo, sulla superficie di un mondo ostile.

Al momento sono quattro le ulteriori missioni Artemis garantite:

Artemis II – 2024: primo volo di SLS e Orion con equipaggio umano. I quattro astronauti compiranno esperimenti in orbita terrestre per qualche giorno, per poi compiere una manovra di sorvolo ravvicinato della Luna prima di rientrare a Terra.

– Nov 2024 – Un Falcon Heavy lancia i primi due moduli del Lunar Gateway, PPE e HALO, e a stretto giro un altro FH lancia il rover VIPER, per studiare i siti di allunaggio –

Artemis III – 2025: primo allunaggio. La sua fattibilità è subordinata alla operatività del sistema di trasporto da Orion verso la Luna (HLS), in merito al quale la NASA ha selezionato la Moonship, una versione appositamente modificata della Starship di SpaceX (che vedete nel render). Due dei quattro astronauti scenderanno sulla Luna per sei giorni e mezzo ed eseguiranno fino a 4 escursioni.

Artemis III e successive faranno uso della Moonship di SpaceX per le operazioni di atterraggio e di superficie. Crediti: SpaceX
Artemis III e successive faranno uso della Moonship di SpaceX per le operazioni di atterraggio e di superficie. Crediti: SpaceX

Artemis IV – 2027: prima missione con equipaggio verso il Lunar Gateway. Il lancio sarà con la versione potenziata di SLS, il Block 1B, e metterà in orbita anche l’habitat esteso (I-HAB).

Artemis V – 2028: secondo allunaggio. Insieme al SLS Block 1B saranno lanciati anche gli ultimi due pezzi del Gateway (ESPRIT e Candarm3) e il Lunar Terrain Vehicle, il rover con cui gli astronauti potranno spostarsi per lunghe distanze sulla superficie lunare, come con la “moon buggy” di Apollo 15-16-17. Al contrario del programma Apollo il sito di allunaggio sarà sempre lo stesso.

Sono state poi pianificate altre 5 missioni, fino ad Artemis 9. Una all’anno, la loro durata sarà superiore (da 30 si passa a 60 giorni) e prevedono la progressiva costruzione di un habitat di superficie permanente. Il necessario sarà fornito da una lunga serie di privati che hanno vinto i relativi appalti, e che hanno libertà di scegliere il lanciatore con cui recapitare i materiali: Ariane 6, Falcon 9/Heavy, ULA Vulcan, Starship. Questa parte è ancora un po’ incerta e in divenire, e suscettibile ai capricci finanziari e politici degli amministratori di turno.

I siti di allunaggio

Artemis I è solo la prima missione, quella dimostrativa, e come vi abbiamo raccontato ieri ce ne saranno molte altre. Il ritorno sulla superficie lunare è previsto per il 2025, con Artemis III. Ma dove effettivamente toccheremo il nostro satellite è tutta un’altra questione.

Queste sono le 13 aree candidate per l'allunaggio di Artemis III. Crediti: NASA
Queste sono le 13 aree candidate per l’allunaggio di Artemis III. Crediti: NASA

Un sito di allunaggio deve avere alcune caratteristiche fondamentali: non deve essere in pendenza, non deve essere irregolare, deve ricevere un sacco di luce durante il periodo di esplorazione, e deve essere in contatto radio con la Terra (cioè la deve vedere in cielo).

A questo elenco di base sono stati aggiunti un paio di requisiti interessanti: deve essere un luogo geologicamente interessante, e vicino a una delle “zone d’ombra perenni”. In pratica la Luna non ha quasi inclinazione assiale, e quindi il fondo di un cratere scavato esattamente a uno dei due poli non riceverà MAI la luce del Sole.

Questo che vedete è uno di quei crateri: è lo Shackleton, sul cui bordo giace il Polo Sud geografico lunare. Ed è entro 6° di latitudine da esso che la NASA è andata a individuare 13 aree candidate per essere esplorate dal primo allunaggio Artemis. Ogni area è ampia circa 15×15 km e all’interno di ciascuna di essa si andranno ad individuare delle aree di 100 metri di raggio per l’allunaggio vero e proprio.

Perché le aree in ombra perenne? Perché si pensa che laggiù, eternamente al riparo dalla luce del Sole non filtrata da alcuna atmosfera, ci possano essere depositi di ghiaccio d’acqua. Che quindi gli astronauti non dovrebbero portarsi da casa, risolvendo un problema. Questo faciliterebbe molto anche la costruzione dell’eventuale habitat lunare.

Tutte le aree sono su terreno elevato, come creste o montagne, ricevono Sole quasi continuamente (il massiccio Malapert è stato etichettato come “il picco della luce eterna”), e permettono agli astronauti di andare a esplorare queste zone in ombra durante le loro attività di esplorazione lunare.

La scelta finale sarà fatta nei mesi prima di Artemis III, quando i dettagli della missione (come la data di lancio) saranno più definitivi.

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