La fionda gravitazionale: la natura pareggia sempre i propri conti

Senza la fionda gravitazionale, o swing-by planetario, non sarebbe stato possibile esplorare così tanti punti del Sistema Solare come abbiamo fatto finora

MeteoWeb

Sulla Terra, i combustibili sono una risorsa limitata e preziosa, nello Spazio, scambiamo liberamente energia con gli altri pianeti.
Come affermato da Arthur C. Clarke nel 1987, “la natura pareggia sempre i propri conti”, riferendosi al fatto che l’energia nell’universo viene sempre conservata: nulla si crea e nulla si distrugge.
Per questo motivo, far volare veicoli spaziali nel Sistema Solare significa gestire in modo intelligente l’energia, a seconda di dove vogliamo andare, sottraendola o trasferendola ai pianeti di passaggio.
Questo trasferimento di energia viene chiamato fionda gravitazionale, o swing-by planetario, in assenza del quale non sarebbe stato possibile esplorare così tanti punti del Sistema Solare come abbiamo fatto finora.

Quando si tratta di orbite, le dimensioni contano

Nello Spazio, spiega l’Agenzia Spaziale Europea in un approfondimento, “accelerare” o “rallentare” ha senso solo in relazione a un altro oggetto. Un treno può andare a 70 km all’ora rispetto a un passeggero fermo in uno scalo ferroviario, ma visto dal Sole, il movimento del treno include anche il movimento della Terra mentre orbita e gira su sé stessa. Tutto è relativo.

Spesso, quando parliamo di movimenti dei pianeti e dei veicoli spaziali nel Sistema Solare, ci riferiamo alla loro “energia orbitale”, un valore correlato direttamente alle dimensioni dell’orbita di un oggetto. Plutone, ai margini del Sistema Solare, viaggia in un’orbita decisamente più grande rispetto a quella di Mercurio, il pianeta più vicino al Sole: in altre parole, l’energia orbitale di Plutone è di gran lunga superiore a quella di Mercurio.

Per mandare un veicolo spaziale su Mercurio, dobbiamo quindi tenere conto dell’orbita di questo pianeta. Quando fu lanciato BepiColombo, la sua energia orbitale era la stessa del nostro pianeta natale. Pertanto, BepiColombo deve usare una enorme quantità di propellente per essere in grado di “frenare”, oppure può perdere dell’energia volando in prossimità di pianeti vicini.

Lo stesso vale al contrario per viaggiare verso il Sistema Solare esterno. Per entrare in un’orbita a una maggiore distanza dal Sole, un veicolo spaziale come Juice – la prossima missione dell’ESA su Giove – dovrà sottrarre energia orbitale alla Terra, a Venere e a Marte.

Tutto dipende dal nostro sistema di riferimento

Qual è quindi la differenza tra sottrarre e dare energia ad un pianeta? Tutto dipende dal movimento relativo del veicolo spaziale e del pianeta.

Dal punto di vista di un pianeta che viene sfiorato, il veicolo spaziale si dirige verso di esso e si allontana con la stessa velocità: solo il suo percorso viene deviato. (Il veicolo spaziale devia anche il pianeta, ma di una quantità talmente minuscola da risultare insignificante. Tuttavia, la terza legge del moto di Newton viene preservata: “Ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria”).

Ma non va dimenticato che il pianeta stesso ruota intorno al Sole e orbita con un’energia maggiore. Visto dalla prospettiva del Sole, il veicolo spaziale non viene solo deviato dal suo percorso, ma avrà anche raccolto o perso energia orbitale in base alla geometria dell’incontro.

Per aumentare la velocità rispetto al Sole, il veicolo spaziale vola seguendo il movimento del pianeta, acquisendo una parte dell’energia orbitale del pianeta nel processo; per diminuire la velocità rispetto al Sole, il veicolo spaziale vola in direzione contraria al movimento del pianeta per trasferire una parte della sua energia orbitale a quest’ultimo.

In entrambi i casi, l’energia trasferita da o verso il pianeta è trascurabile, ma fa una grande differenza per il nostro minuscolo veicolo spaziale. Ci vorrebbe un’astronave miliardi di volte più grande di quelle che conosciamo oggi per spingere sensibilmente un pianeta.

Meccanica orbitale: un’unione di scienza e natura

Per viaggiare nel Sistema Solare non bastano un semplice razzo, propulsori e propellenti. Gli esperti di dinamica del volo e le équipe di controllo del volo presso il Centro operativo dell’ESA devono conoscere i movimenti dei pianeti e le inevitabili leggi della natura, utilizzarli e ottenerne il massimo.

Click qui per scoprire di più sulla doppia fionda gravitazionale di Venere del 9-10 agosto scorsi, in cui BepiColombo e Solar Orbiter hanno entrambi sfruttato il pianeta per alterare le loro orbite e avvicinarsi a Mercurio e al Sole.