Riassunto:
Con il crescente numero di satelliti nell'orbita terrestre bassa, i detriti spaziali stanno diventando un problema importante che minaccia la sicurezza dei veicoli spaziali. Di fronte a un ambiente orbitale sempre più affollato, i produttori di satelliti e gli istituti di ricerca stanno sviluppando nuovi sensori di impatto, armature protettive più leggere e strutture di schermatura utilizzando nuovi materiali e tecnologia di stampa 3D, sperando di consentire ai satelliti di mantenere il più possibile le normali operazioni anche se vengono colpiti da detriti ad alta velocità.
Attualmente, i detriti spaziali nell'orbita terrestre bassa possono muoversi a una velocità di circa 7 chilometri al secondo. A tali velocità, anche un piccolo frammento può danneggiare l'elettronica del satellite, penetrare in componenti esterni o addirittura causare direttamente il guasto dell'intero satellite. I dati dell’Agenzia spaziale europea mostrano che il numero di oggetti realizzati dall’uomo nell’orbita terrestre è più che raddoppiato dal 2017 e il problema sta peggiorando man mano che le costellazioni di satelliti commerciali continuano a essere dispiegate.
I detriti spaziali non sono solo satelliti abbandonati e detriti di razzi, ma includono anche frammenti di metallo, plastica, frammenti di vernice e altri minuscoli oggetti prodotti dopo le collisioni. Poiché sono così piccoli, molti detriti non possono essere tracciati direttamente dai sistemi di terra, ma il potere distruttivo prodotto dal volo ad alta velocità non può essere sottovalutato. L’Agenzia spaziale europea stima attualmente che ci siano decine di migliaia di oggetti tracciabili in orbita e che il numero effettivo di detriti più grandi di 1 centimetro, abbastanza grande da causare danni catastrofici a un veicolo spaziale, potrebbe superare 1,2 milioni.
Oltre a cercare di ridurre la generazione di nuovi detriti spaziali, i produttori di satelliti hanno anche iniziato a considerare un'altra questione pratica: come aumentare le probabilità di "sopravvivenza" dei satelliti quando le collisioni non possono essere evitate. Odin Space a Santa Ana, California, USA, ha iniziato a vendere una striscia sensibile adesiva installata sulla superficie di un satellite. È dotato di un sensore di vibrazione all'interno, che può registrare la vibrazione generata quando il satellite viene colpito e aiutare gli operatori a determinare la dimensione approssimativa e la forza d'impatto dell'impatto.
Questa tecnologia promette di risolvere un problema di vecchia data nel settore dei piccoli satelliti. Uno studio del 2021 ha rilevato che circa un piccolo satellite su cinque smette di funzionare entro un anno dal lancio e la causa di circa il 60% di questi guasti non è chiara. La caduta di detriti è una possibile causa, ma i guasti ai satelliti spesso non lasciano prove sufficienti agli operatori per determinare cosa sia successo.
Se i satelliti fossero in grado di registrare i tempi, l'intensità e le caratteristiche degli impatti, i produttori potrebbero correlare questi dati con i guasti dei satelliti per determinare meglio le minacce reali nei diversi ambienti orbitali. Questi dati potranno essere utilizzati anche per migliorare la progettazione strutturale dei satelliti in futuro, consentendo agli ingegneri di rafforzare i tipi di detriti e le direzioni di impatto più comuni senza semplicemente aumentare il peso protettivo dell’intero satellite.
Attualmente, l'alluminio è ancora uno dei materiali protettivi più comuni per i veicoli spaziali. Molti satelliti utilizzano pannelli di alluminio e utilizzano strutture a nido d'ape in alluminio per rafforzare la fusoliera. Questa soluzione è più leggera e relativamente matura nella produzione, ma ha capacità di protezione limitate di fronte ai detriti ad alta velocità.
Una soluzione più collaudata è il Whipple Shield. Questa struttura aggiunge un sottile strato tampone esterno pochi centimetri davanti al guscio principale del satellite. Quando i detriti ad alta velocità colpiscono la struttura esterna, verranno prima rotti e vaporizzati, quindi la nuvola di detriti formata colpirà lo strato protettivo principale posteriore, riducendo così l'energia d'impatto che verrà infine trasmessa all'interno del veicolo spaziale. Lo scudo Whipple si è dimostrato molto efficace, ma il problema è che aggiunge peso e occupa prezioso spazio interno, due dei parametri più sensibili nella progettazione dei satelliti.
Atomic-6 vicino ad Atlanta, negli Stati Uniti, sta sviluppando un'alternativa chiamata "Space Armor". L’azienda non ha rivelato gli ingredienti specifici dei mattoncini protettivi compositi, ma ogni mattoncino protettivo ha le dimensioni di un palmo di mano, è spesso circa 2,5 centimetri e pesa all’incirca quanto un iPhone.
I test condotti su Atomic-6 hanno dimostrato che il materiale può fermare proiettili di alluminio delle dimensioni di un pisello che viaggiano a 7,2 chilometri al secondo. Il CEO dell'azienda Trevor Smith ha affermato che, a differenza delle tradizionali strutture protettive, questo materiale non produce grandi quantità di frammenti ad alta velocità simili a quelli formati dopo la rottura dello scudo metallico, ma può vaporizzare i frammenti metallici che colpiscono ed essere assorbiti dal materiale protettivo.
Nel frattempo, altri gruppi di ricerca stanno cercando di ridurre il peso dei sistemi di protezione attraverso una combinazione di materiali diversi. Ad esempio, la fibra Kevlar è stata utilizzata in apparecchiature antiproiettile ed è stata utilizzata anche nella struttura protettiva della Stazione Spaziale Internazionale. I ricercatori stanno sperimentando la combinazione del Kevlar con il tessuto ceramico Nextel per creare strati protettivi più leggeri, in particolare per i satelliti più piccoli e a basso costo.
I ricercatori dell'Università di Padova in Italia hanno messo gli occhi sulla tecnologia di stampa 3D. Stanno utilizzando alluminio, Kevlar e resina rinforzata con fibra di carbonio per creare strutture protettive sperimentali. Il più grande vantaggio della stampa 3D è la sua capacità di progettare complesse strutture di cavità all’interno dei materiali. Queste cavità consentono ai frammenti ad alta velocità di subire molteplici frammentazioni e consumo di energia durante il processo di penetrazione dello strato protettivo, ottenendo così un effetto di protezione graduale simile allo scudo Whipple.
Anche la NASA sta testando un'idea diversa, utilizzando la schiuma di alluminio come materiale protettivo. All'interno della schiuma di alluminio sono presenti numerosi piccoli vuoti. Nei test, uno strato protettivo in schiuma di alluminio spesso poco più di 6 mm è stato in grado di fornire una protezione simile a un tradizionale scudo Whipple, che pesa circa il doppio della soluzione in schiuma di alluminio. Ciò significa che se la tecnologia in questione dovesse maturare ulteriormente, i produttori di satelliti potrebbero essere in grado di migliorare le capacità di protezione senza aumentare significativamente il peso di lancio.
Tuttavia, non esiste una "armatura universale" che possa essere applicata a tutti i satelliti. L'ambiente dei detriti nelle diverse orbite non è lo stesso e la composizione, le dimensioni e la velocità dei detriti possono variare. Gli ingegneri devono decidere quali materiali e strutture utilizzare in base allo specifico ambiente orbitale in cui si trova il satellite.
Rannveig Marie Faergestad, progettista di protezione presso Thales Alenia Space, ha affermato che se si potessero ottenere dati più accurati sull'ambiente dei detriti orbitali, gli ingegneri potrebbero selezionare i materiali e progettare strutture protettive in modo più mirato. In altre parole, lo sviluppo della futura protezione satellitare non si baserà solo su materiali più resistenti, ma anche su una comprensione più accurata dell’ambiente orbitale.
È anche qui che i sensori di impatto possono svolgere un ruolo importante. In passato, i produttori di satelliti si affidavano principalmente a modelli teorici per prevedere possibili minacce dovute a detriti, mentre i sensori installati sui satelliti possono fornire dati sull’impatto nel mondo reale. Raccogliendo questi dati nel tempo, gli operatori possono acquisire una comprensione più chiara dei tipi di detriti e dei rischi di impatto che i satelliti devono effettivamente affrontare, e ottimizzare ulteriormente la progettazione della protezione dei satelliti di prossima generazione.
Mentre grandi costellazioni di satelliti continuano a entrare nell'orbita terrestre bassa, l'ambiente spaziale sta cambiando da uno spazio operativo relativamente libero del passato a un'infrastruttura sempre più affollata. L’Agenzia spaziale europea avverte che, anche se in futuro smettesse di lanciare nuovi veicoli spaziali, i detriti esistenti potrebbero continuare ad aumentare a causa di collisioni e disintegrazione. Pertanto, la riduzione della generazione di nuovi detriti, il miglioramento della resistenza agli urti dei satelliti e la pulizia proattiva dei detriti spaziali esistenti diventeranno misure chiave per mantenere la disponibilità a lungo termine dell’orbita terrestre bassa.
Per i produttori di satelliti, la competizione futura non riguarda solo la creazione di satelliti più leggeri, più economici e più facili da lanciare, ma anche la loro sopravvivenza più a lungo in un ambiente orbitale sempre più pericoloso. Tecnologie come sensori, nuovi materiali compositi, schiuma di alluminio e strutture stampate in 3D stanno gradualmente consentendo ai satelliti di passare dal semplice “evitare” i detriti spaziali ad avere capacità di rilevamento attivo e protezione passiva più forti.
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