“Segui l’acqua” è stato il mantra della comunità di astrobiologia alla ricerca di vita extraterrestre nell’universo. L’acqua è un elemento fondamentale di tutta la vita terrestre come la conosciamo e, come scoperto da varie missioni spaziali, l’acqua è abbondante in tutto il sistema solare e forse nell’universo. Le antiche caratteristiche erose su Marte mostrano chiare prove di una storia umida, e la ricerca in corso del rover Perseverance mira a scoprire indizi sul fatto che Marte una volta ospitasse o meno una popolazione di microbi. Tuttavia, per comprendere veramente la natura di una possibile vita aliena, dobbiamo indagare direttamente la fonte: l’acqua liquida.
Negli ultimi due decenni, gli scienziati hanno scoperto che un vasto numero di lune ghiacciate orbitano attorno ai pianeti giganti esterni del nostro sistema solare. Molte di queste lune mostrano prove evidenti del fatto che ospitano oceani globali sotto le loro croste ghiacciate. In effetti, queste lune probabilmente contengono molta più acqua liquida di tutti gli oceani della Terra messi insieme, e alcune potrebbero persino avere le condizioni giuste per favorire la vita. Due lune, in particolare, hanno catturato l’immaginazione degli astrobiologi grazie alle loro condizioni favorevoli alla vita e alla loro relativa facilità di essere indagate: la luna di Giove, Europa, e la luna di Saturno, Encelado. Entrambe mostrano forti evidenze di un oceano globale sotto una crosta di ghiaccio d’acqua spessa chilometri: ma come possiamo accedere a quest’acqua liquida?
Il cryobot
Negli ultimi decenni, sono stati studiati vari concetti per l’accesso all’oceano, dai robot che scendono attraverso i crepacci alle trivelle di vario tipo. Un concetto emerso come candidato principale è il cryobot. Un cryobot è una sonda cilindrica autonoma che utilizza il calore per sciogliere il ghiaccio sottostante. L’acqua fusa scorre quindi attorno alla sonda prima di ricongelarsi dietro di essa. La perforazione termica del ghiaccio è così semplice ed efficace che è diventata uno strumento comune per studiare i ghiacciai terrestri e le calotte glaciali. Ma come possiamo tradurre questa tecnologia in un sistema in grado di penetrare le croste ghiacciate planetarie, che sono più fredde, più spesse e più incerte?
Questo dilemma è stato al centro dell’attenzione dei ricercatori, molti dei quali sono supportati dai programmi Scientific Exploration Subsurface Access Mechanism for Europa (SESAME) e Concepts for Ocean worlds Life Detection Technology (COLDTech) della NASA, negli ultimi anni. Nel febbraio 2023, il Planetary Exploration Science Technology Office (PESTO) della NASA ha convocato un seminario presso il California Institute of Technology, che ha riunito quasi 40 ricercatori di punta provenienti da diversi campi e istituzioni in tutti gli USA, per discutere i progressi nella maturazione di questa tecnologia e per valutare le sfide che rimangono. Studi recenti hanno compiuto progressi significativi nel perfezionare la nostra comprensione dell’ambiente del guscio di ghiaccio, nel descrivere in dettaglio l’architettura della missione e nel maturare sottosistemi e tecnologie critici. In particolare, i partecipanti al workshop hanno identificato quattro sottosistemi chiave che guidano la tabella di marcia per lo sviluppo di un’architettura pronta per il volo: i sottosistemi energetico, termico, di mobilità e di comunicazione.
Le sfide per realizzare un cryobot
Innanzitutto, il cuore di un cryobot è un sistema di energia nucleare che genera il calore prolungato richiesto per sciogliere chilometri di ghiaccio. Sono stati identificati vari sistemi di energia nucleare che potrebbero adattarsi a un sistema cryobot, inclusi i familiari Radioisotope Power Systems (RPS) che hanno alimentato molte missioni nello spazio profondo, e reattori a fissione che potrebbero essere sviluppati nei prossimi anni. Due vincoli chiave che guidano la progettazione del sistema energetico sono: potenza totale e densità sufficienti per facilitare una fusione efficiente (circa 10 W); l’integrazione all’interno di un recipiente strutturale per proteggere il sistema energetico dalle alte pressioni delle profondità oceano. Queste sfide sono risolvibili e hanno qualche precedente storico. Tuttavia, un sistema di alimentazione cryobot richiederà uno sforzo concertato e una stretta collaborazione con il Dipartimento dell’Energia durante tutta la maturazione del mission concept.
In secondo luogo, è necessario un sistema di gestione termica per gestire il calore prodotto dal sistema nucleare di bordo, mantenere temperature interne sicure e distribuire il calore nell’ambiente per prestazioni efficienti. Questo sistema richiede due circuiti di fluido pompato indipendenti: uno che fa circolare un fluido di lavoro interno attraverso canali incorporati nella pelle e un altro che fa circolare l’acqua ghiacciata sciolta con l’ambiente circostante. Alcune di queste tecnologie sono state dimostrate su scala ridotta e su scala reale, ma è necessario ulteriore lavoro per convalidare le prestazioni nella gamma di condizioni del ghiaccio previste nel sistema solare esterno.
Inoltre, i gusci ghiacciati di Europa ed Encelado conterranno impurità come polvere e sale che, se sufficientemente concentrate, potrebbero richiedere la penetrazione di sistemi ausiliari. Una combinazione di “getto d’acqua” e taglio meccanico si è dimostrata efficace nel rimuovere detriti che vanno dal particolato fine ai blocchi solidi di sale da sotto la sonda. Alcune impurità come rocce più grandi o corpi idrici possono rimanere impenetrabili, richiedendo al cryobot di incorporare un sensore di mappatura rivolto verso il basso e un meccanismo di sterzo, entrambi dimostrati in prototipi terrestri, sebbene non ancora in un sistema integrato. Il lavoro futuro ad alta priorità include una definizione più rigorosa e probabilistica degli ambienti ghiacciati per quantificare la probabilità di potenziali pericoli di mobilità. Europa Clipper fornirà inoltre osservazioni chiave per limitare la prevalenza e le caratteristiche dei pericoli per un cryobot.
Infine, una missione cryobot richiede un collegamento di comunicazione robusto e ridondante attraverso il guscio di ghiaccio per consentire al lander di trasmettere i dati a un ripetitore in orbita o direttamente alla Terra. I cavi in fibra ottica rappresentano lo standard industriale per la comunicazione con le sonde di fusione terrestri e i veicoli di acque profonde, ma richiedono un’attenta convalida per l’implementazione attraverso i gusci di ghiaccio, che sono attivi. Altri team stanno esplorando tecniche wireless per comunicare attraverso il ghiaccio, compresi ricetrasmettitori a radiofrequenza, acustici e magnetici. Gli attuali progetti finanziati nell’ambito del programma COLDTech della NASA stanno compiendo i primi passi verso la risoluzione dei principali rischi per il sistema di comunicazione. Il lavoro futuro dovrà convalidare le prestazioni in una gamma più ampia di condizioni e dimostrare l’integrazione su un cryobot.
Anche se i sottosistemi energetici, termici, di mobilità e di comunicazione sono stati al centro della scena, i partecipanti al workshop hanno discusso anche di altri sistemi e tecnologie chiave che richiederanno maturazione per consentire una missione cryobot. Questi argomenti includono una suite di strumenti integrata con alloggi per il campionamento di liquidi e aperture rivolte verso l’esterno, strategie di protezione planetaria e sterilizzazione, selezione dei materiali per la mitigazione della corrosione, meccanismi di ancoraggio del ghiaccio e autonomia. Tuttavia, nessuna di queste tecnologie è stata identificata come rischi o sfide importanti nella tabella di marcia del mission concept del cryobot.
Progetto fattibile
Nel complesso, la conclusione consensuale dei partecipanti al workshop è stata che questo mission concept rimane fattibile, scientificamente convincente e il modo più plausibile a breve termine per cercare direttamente la vita in situ su un mondo oceanico. Un supporto continuo consentirebbe a scienziati e ingegneri di compiere ulteriori progressi verso la preparazione dei cryobot per future opportunità di missione. Il potenziale per l’individuazione diretta della vita su un altro mondo sembra più possibile che mai.
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