Missione ExoMars, via al programma spaziale che risolverà uno dei più grandi misteri di sempre

Con il programma ExoMars l’Europa, attraverso la sua Agenzia Spaziale (ESA), l’ Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e le sue industrie aerospaziali di punta, si appresta a tornare su Marte con una serie di ambiziosi obiettivi tecnologici e scientifici che richiederanno due missioni distanziate di due anni: la prima nel 2016, la seconda nel 2018.

L’obiettivo primario assegnato alla missione europea ExoMars è di eseguire ricerche di Exobiologia (lo studio dell’origine, sviluppo e distribuzione della vita nell’universo).

La missione ExoMars raccoglie quindi una grande sfida in campo scientifico e per farlo racchiude in sé lo sviluppo di tutta una serie di tecnologie che sono state sviluppate ed applicate in diversi ambiti della ricerca spaziale ma che mai prima di ora sono stati condensati in una unica missione. Il programma ExoMars dell’ESA sarà realizzato con la cooperazione internazionale dell’Agenzia Spaziale Russa Roscosmos.

Perché andare su Marte?

Per effettuare ricerche di Exobiologia, per studiare l’origine, sviluppo e distribuzione della vita nell’universo, ma soprattutto per confermare definitivamente la presenza di vita sul Pianeta Rosso. E’ questa infatti una delle questioni scientifiche più fondamentali dei nostri tempi. Le risposte vanno cercate nello studio dell’atmosfera del pianeta, nella sua struttura interna, nella distribuzione del ghiaccio e dei minerali sulla superficie e nello strato immediatamente inferiore del suolo di Marte. ExoMars sarà perfettamente in grado di provare in-situ nuove tecnologie necessarie per aprire la strada a future missioni di esplorazione.

Cooperazione Europa – Russia

Il programma ExoMars sarà realizzato con la cooperazione internazionale dell’Agenzia Spaziale Russa Roscosmos, che contribuirà con attrezzature ed esperimenti scientifici, ma soprattutto eseguirà entrambi i lanci con il razzo Proton Breeze M e svilupperà il Descent Module per la Missione 2018. La cooperazione si  sviluppa attraverso gli accordi intrapresi tra le due agenzie, l’ESA e Roscosmos, stipulati il 14 Marzo 2013 a seguito dell’uscita della NASA dal programma, a Gennaio 2012.

Missione 2016

Nella prima missione il veicolo inviato verso il Pianeta Rosso sarà composto da un modulo orbitante, chiamato TGO “Trace Gas Orbiter”, integrato presso lo stabilimento Thales Alenia Space di Cannes  e da un modulo di discesa chiamato EDM “Entry descent landing Demonstrator Module”, realizzato nello stabilimento Thales Alenia Space di Torino. Quest’ultimo modulo e’ chiamato Schiaparelli in onore di Giovanni Virginio Schiaparelli, considerato una delle più grandi figure dell’ astronomia Italiana dell’800 e al tempo stesso uno dei maggiori studiosi della storia della scienza e dell’astronomia antica.

Il razzo vettore immetterà il veicolo su una traiettoria cosiddetta di Tipo-2, che prevede l’arrivo su Marte dopo una crociera di circa nove mesi. Il modulo di discesa sarà separato dal modulo orbitante e, dopo un avvicinamento di tre giorni, raggiungerà il limite dell’atmosfera marziana, il cosiddetto punto di interfaccia d’ingresso, posto a circa 120 km dalla superficie  del pianeta.

Da quel momento inizia la veloce sequenza di discesa sul pianeta: in circa quattro minuti il modulo d’ingresso riduce la sua velocità per attrito atmosferico da 21000 km/h a circa 2000 Km/h e ad un’altezza di circa dieci km si apre il paracadute che resta in funzione per due minuti portando la velocità di discesa a 70 m/s (250 km/h). Il paracadute e una parte del modulo di discesa si sganciano a circa 1000 metri dalla superficie e a quel punto entra in funzione il sistema di controllo basato su un radar altimetro, un pacco giroscopico e nove motori di frenata che portano il veicolo all’ “ammartaggio” circa trenta secondi dopo lo sgancio del paracadute ad una velocità massima di 3,7 m/s (circa 13 km/h).

L'”ammartaggio” è ulteriormente attutito da una struttura ad assorbimento d’urto in fibra di carbonio appositamente sviluppata.

L’orbita operativa finale del modulo orbitante è raggiunta con una lunga fase di frenaggio ottenuta passando attraverso l’atmosfera marziana ad un’altitudine di circa 180 km; la durata della fase sarà di circa 1 anno. Dopodichè il modulo orbitante raggiungerà l’orbita finale, circolare con un altezza di 400 km; su questa orbita il satellite effettuerà una serie di osservazioni dell’atmosfera marziana e della superficie del pianeta attraverso un complesso di quattro strumenti scientifici.

La durata nominale delle osservazioni scientifiche è di due anni terrestri (un anno marziano).

Durante questo periodo il modulo di discesa dell missione 2018 arrivera’ su Marte e fara’ ammartare il Rover che iniziera’ a trasmettere i suoi dati verso terra tramite il “ponte radio” costituito con il TGO.

In sintesi gli obiettivi della missione 2016:

• Acquisire la più grande quantità possibile di dati nella fase di rientro nell’atmosfera marziana
• Atterrare con una capsula dimostrativa di circa 600 kg
• Operare un carico scientifico sulla superficie per un breve periodo
• Osservare l’atmosfera e la superficie marziana per due anni
• Fornire il supporto di telecomunicazione necessario al Rover della missione 2018

La missione 2018, il Rover ed il suo centro di Controllo

La seconda missione di Exomars sara`anch’essa guidata da ESA, ma con una partecipazione di Roscosmos piu` ampia rispetto alla precedente.

In questa missione un veicolo spaziale costituito da un Carrier Module (CM) e da un Modulo di Discesa (Descent Module, DM), sulla cui Piattaforma di Atterraggio (Landing Platform, LP) sara` alloggiato un Rover, partira` a Maggio del 2018, per un viaggio di 7 mesi verso Marte.

A Gennaio 2019, il Modulo di Discesa verrà separato dal Carrier per eseguire la fase di ingresso nell’atmosfera del pianeta e successivamente fare atterrare dolcemente la Landing Platform ed il Rover sulla superficie di Marte.

Mentre la LP continuerà a misurare i parametri ambientali del sito di atterraggio, il Rover inizierà l’esplorazione della superficie che è prevista durare 218 giorni marziani (circa 230 giorni terrestri). Durante l’esplorazione il Rover utilizzerà il TGO-2016 per le comunicazioni con Terra.

Gli obiettivi della missione 2018 sono:

• L’ingresso nell’atmosfera marziana e successiva discesa sulla superficie del Modulo di Discesa e del suo Rover, del peso complessivo di circa 2 tonnellate, reso possibile dall’esperienza acquisita con l’EDM della missione 2016.
• L’atterraggio della Landing Platform e la successiva fuoriuscita del Rover.
• L’esplorazione di una vasta area di Marte, eseguendo in sito caratterizzazioni geologiche/scientifiche sia della superficie che del sottosuolo Marziano, tramite prelievo e analisi di campioni di terreno fino a 2 metri di profondità.
• La ricerca di forme di vita presenti o passate nei campioni di terreno prelevati e sottoposti a bordo ad analisi chimico-fisica.
• Lo studio geochimico dell’ambiente superficiale e sotterraneo di Marte.

La guida del veicolo spaziale nel suo viaggio verso la superficie di Marte sara` eseguita autonomamente dal computer ridondato presente nel DM, che comanderà la separazione dal Carrier e in base a complesse leggi e strumentazione di controllo stabilira` gli eventi di apertura del sistema di paracaduti, la separazione dello scudo termico, il controllo dei propulsori per mantenere un corretto assetto fino alla separazione della piattaforma di atterraggio, che avvera` a pochi metri dal suolo.

Come per l’EDM della missione 2016 la discesa e la precisione degli eventi rispetto alla quota saranno determinate dai dati di un Radar altimetro.

Anche il Rover ExoMars avrà un alto grado di autonomia e si muoverà sulla superficie del pianeta guidato da un sistema di navigazione basato su visione stereoscopica, sensori di sole e inerziali, in grado di scegliere autonomamente il percorso più adatto per raggiungere le posizioni prestabilite per le investigazioni scientifiche, viaggiando, camminando e superando ostacoli alti fino a 25 cm.

L’alimentazione dei sistemi elettrici di bordo sarà ottenuta tramite pannelli solari che ricaricano una batteria agli ioni di litio; una serie di piccoli generatori a radioisotopi forniranno al Rover il calore sufficiente per sopravvivere alla fredda notte marziana.

Il sistema di comunicazione del Rover comunichera` in banda UHF con il TGO (ponte radio verso la Terra) due volte al giorno, per alcuni minuti, inviando i dati di telemetria e scientifici e ricevendo i comandi e le macro-azioni che il computer di bordo dovrà eseguire autonomamente.

I dati del Rover saranno ricevuti dal Centro di Controllo del Rover (ROCC), situato a Torino presso Altec, dove sulla base delle immagini e dei dati scientifici rilevati, verrà stabilita la strategia dell’esplorazione della superficie marziana, e pianificata la missione per mezzo dell’invio di opportuni comandi ed azioni che il Rover dovrà intraprendere ed eseguire nei giorni successivi.

Il Rover ospiterà un complesso di strumenti scientifici il cui cuore è il Laboratorio Analitico, un insieme di meccanismi e strumenti destinato sminuzzare, stoccare, distribuire ed analizzare dal punto di vista chimico-fisico i campioni di terreno e di sottosuolo prelevati tramite una trivella montata sulla parte anteriore del Rover stesso.

Ruolo di Thales Alenia Space

Thales Alenia Space Italia è Prime Contractor nel Programma Exo-Mars, occupandosi dell’intera progettazione delle due missioni. In particolare per quella del 2016 ha realizzato il modulo EDM per l’ingresso e discesa su Marte, mentre la realizzazione del modulo orbitante (Trace Gas Orbiter) è avvenuta nel sito Thales Alenia Space di Cannes. Per la missione 2018, oltre alla responsabilita’ dello sviluppo dell’intero sistema, Thales Alenia Space Italia si occupa in particolare dello sviluppo del sistema di controllo, navigazione e guida del CM e DM, del progetto del Sistema Rover e del laboratorio analitico (ALD). Di quest’ultimo Thales Alenia Space Italia è responsabile anche della relativa integrazione e prove. Questo è il laboratorio con il famoso trapano, in grado di raccogliere campioni del suolo marziano scavando fino a una profondità di due metri.