Quando si parla di detriti spaziali, ciò che sale in orbita scende sempre più spesso, e non in modo sicuro. Al momento del lancio, alcuni componenti, inclusi i booster dei razzi non riutilizzabili, vengono sganciati per ridurre il peso, lasciandoli bruciare intenzionalmente durante il rientro nell’atmosfera. Anche i satelliti rientrano nell’atmosfera al termine della loro vita operativa, presumibilmente bruciando. Ma in molti casi, ciò non avviene come previsto. I detriti derivanti da componenti di veicoli spaziali e satelliti parzialmente bruciati che rientrano nell’atmosfera terrestre possono rappresentare un rischio per persone e strutture a terra. L’aumento dei lanci, guidato in gran parte da attori privati come SpaceX, sta trasformando un rischio un tempo remoto in una minaccia crescente.
Un gruppo di ricerca sui materiali presso l’Università del Wisconsin-Stout sta studiando i materiali che consentono ai detriti di rientro di sopravvivere. Sta cercando modi per modificare in modo sicuro le loro eccezionali qualità di resistenza al calore, al fine di renderli più sicuri per il rientro atmosferico.
Detriti atterrati sulla Terra
Dal 2021, detriti di rientro atmosferico sono caduti più volte su proprietà private e pubbliche in tutto il mondo. Alcuni degli eventi più significativi riguardano frammenti del vano bagagli in fibra di carbonio della capsula Dragon di SpaceX, che rimane attaccato alla capsula con equipaggio fino a poche ore prima del rientro. Questi vani bagagli sono più grandi di un furgone da 15 posti e vengono utilizzati per lo stoccaggio.
Frammenti del vano bagagli della missione Crew 7 verso la Stazione Spaziale Internazionale sono atterrati in North Carolina, mentre frammenti della missione Crew 1 sono atterrati nel Nuovo Galles del Sud, in Australia. Analogamente, detriti della missione Axiom 3 sono atterrati nel Saskatchewan, in Canada.
Oltre ai frammenti del vano bagagli, anche i componenti in fibra di carbonio che contengono gas pressurizzati per regolare l’orientamento di un veicolo spaziale costituiscono una parte significativa dei detriti di rientro recuperati. Alcuni di questi recuperi più recenti sono avvenuti in Australia, Argentina e Polonia.
La maggior parte dei detriti che rientrano nell’atmosfera brucia, quindi perché questi frammenti riescono ad arrivare sulla superficie terrestre?
Rientro atmosferico
I satelliti come Starlink di SpaceX si trovano in orbita terrestre bassa, in genere tra i 300 e i 2000 chilometri sopra la superficie terrestre. Per rimanere in orbita, devono muoversi molto velocemente, a circa 27.000km/h. Per raggiungere questa velocità, è stato necessario un razzo con un milione di libbre di carburante per accelerarli, e parte di questa energia è ancora contenuta nella quantità di moto del satellite. Quando un oggetto in orbita scende, avvicinandosi all’atmosfera superiore terrestre, inizia a collidere con le molecole d’aria, rallentando l’oggetto. La quantità di calore generata da questa interazione consuma rapidamente il satellite, fondendo il metallo a oltre 1600°C.
Più lanci
I Paesi di tutto il mondo lanciano oggetti nello spazio dagli anni ’50, quindi perché il rientro atmosferico è una preoccupazione ora? A partire dagli anni ’60, ogni anno venivano lanciati nello spazio circa 100 oggetti, o almeno così era fino al 2016. Da allora, il numero è aumentato esponenzialmente. Nel 2016 sono stati lanciati 200 oggetti. Ma nel 2025, questo numero è salito a 4.500, il che significa che il 20% di tutti gli oggetti lanciati nello spazio dagli anni ’50 è stato lanciato l’anno scorso.
La maggior parte di questi lanci è stata effettuata da aziende statunitensi, come SpaceX e Rocket Lab. Aziende come queste, insieme a quelle al di fuori degli Stati Uniti, hanno in programma la realizzazione di grandi costellazioni satellitari composte da centinaia di migliaia fino a un milione di satelliti.
Maggiore è il numero di oggetti e carichi utili lanciati, maggiore è il numero di eventi di rientro. Gli operatori satellitari sono tenuti a rimuovere dall’orbita i satelliti dismessi dopo 25 anni per conformarsi alle normative stabilite dai comitati internazionali. Gruppi di tutto il mondo, tra cui la Federal Communications Commission (FCC) negli Stati Uniti, hanno spinto per ridurre a cinque anni la finestra di rientro in atmosfera. Grazie a queste linee guida, l’impatto completo dei detriti derivanti dai recenti lanci non si farà sentire per almeno altri 10 anni. Gli oggetti lanciati e le decisioni politiche prese oggi avranno un effetto duraturo sulla sicurezza futura.
Fibra di carbonio
Con il progresso tecnologico mondiale, anche l’efficienza nel lancio di oggetti nello spazio è aumentata. Satelliti e veicoli spaziali stanno diventando più leggeri, resistenti e termoresistenti grazie a materiali come le plastiche rinforzate con fibra di carbonio e i nuovi metalli. Questi materiali resistenti sono molto richiesti perché leggeri, ma possono anche far sì che i detriti in rientro resistano alle temperature del rientro.
La fibra di carbonio, un tempo utilizzata esclusivamente nella tecnologia spaziale, si trova ora in oggetti di uso comune come telai di biciclette e carrozzerie di auto da corsa. È ancora il metodo di riferimento per la fabbricazione di materiali ad alta resistenza e basso peso per componenti di veicoli spaziali come fusoliere di razzi, interstadi (l’involucro protettivo che si trova tra gli stadi del razzo) e recipienti a pressione che sono soggetti a temperature estreme e ad elevate sollecitazioni e deformazioni meccaniche.
Metalli semplici come alluminio e acciaio fondono e bruciano, mentre materiali complessi come la fibra di carbonio, prodotta a temperature fino a 3.000°C, bruciano in modo imprevedibile, modificando il modo in cui i componenti espulsi si disintegrano al rientro nell’atmosfera.
Dai primi anni 2000, la maggior parte dei detriti spaziali recuperati contiene sezioni in plastica rinforzata con fibra di carbonio o componenti metallici rivestiti con fibra di carbonio. La fibra di carbonio può agire involontariamente come uno scudo termico per detriti più pesanti e pericolosi.
Progettazione per la disintegrazione
La progettazione per la disintegrazione è un’importante area di ricerca incentrata sulla mitigazione del rischio di detriti al rientro. Invece di affidarsi a deorbitazioni controllate e meticolosamente programmate che inviano i componenti sopravvissuti al rientro nell’oceano al termine della loro vita operativa, i componenti dei veicoli spaziali vengono progettati per garantire la loro completa disintegrazione durante la deorbitazione attraverso l’atmosfera.
La progettazione per la disintegrazione può assumere diverse forme. Queste soluzioni spaziano dal passaggio a materiali più sensibili al calore, al riposizionamento di componenti più difficili da bruciare in aree del veicolo spaziale che saranno più calde durante il rientro, fino all’utilizzo di elementi di collegamento che si disgregano ad alte temperature per separare le strutture in componenti più piccoli e facilitarne la combustione.
Considerando la storica attenzione rivolta alla realizzazione di veicoli spaziali con i materiali più leggeri, resistenti e termoresistenti disponibili, potrebbe sembrare controintuitivo rendere intenzionalmente alcuni materiali più deboli. La chiave sta nel rendere i materiali più intelligenti, in modo che mantengano la loro resistenza durante la missione ma si indeboliscano sotto il calore del rientro.
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