Detriti spaziali? rimozione tempestiva!

L'Agenzia Spaziale Europea (ESA) ha pubblicato il "Zero Debris Technical Booklet" il 15 gennaio 2025, un documento fondamentale che delinea le tecnologie necessarie per raggiungere l'obiettivo di Zero Debris entro il 2030. Questo è il risultato di una collaborazione tra ingegneri, operatori, giuristi, scienziati ed esperti di politica, tutti membri della comunità Zero Debris, composta dai firmatari della Zero Debris Charter. (European Space Agency, 2024)

Il documento identifica sei obiettivi tecnologici chiave, tra cui: prevenire il rilascio di nuovi detriti, migliorare la sorveglianza del traffico spaziale e approfondire la conoscenza degli effetti dei detriti spaziali. Questo sforzo collettivo rappresenta un passo significativo verso un futuro sostenibile nello spazio, promuovendo una collaborazione internazionale per la salvaguardia dell'ambiente orbitale terrestre. In questo articolo ci si focalizzerà principalmente sul rilascio dei detriti ad opera delle operazioni spaziali.

Garantire una rimozione tempestiva di detriti spaziali

Tutti gli attori coinvolti nel settore spaziale devono garantire che gli oggetti spaziali vengano smaltiti con successo e tempestivamente per ridurre al minimo il rischio di generazione di detriti e di disturbi alle missioni operative. Gli sforzi necessari, al 2025, stanno diventando sempre più grandi a causa dei costi preventivi per sviluppare soluzioni tecniche e operative in grado di migliorare la probabilità di “de-orbiting” degli oggetti spaziali al termine delle missioni.

Raggiungere una rimozione orbitale tempestiva  e di successo dopo la fine della missione è fondamentale per evitare l’accumulo di detriti. Per raggiungere un tasso di successo di almeno il 99%  nella rimozione orbitale, è necessario:

1. Aumentare la probabilità che un oggetto “de-orbiti” autonomamente al termine della missione: Si tratta di sviluppare tecnologie che permettano agli oggetti spaziali di rientrare nell’atmosfera o di essere guidati verso di essa, riducendo così il rischio di collisioni con altri corpi di più importante natura;
2. Progettare architetture spaziali più affidabili, poiché le missioni future devono poter essere libere di procedere nel loro moto senza che un qualsivoglia tipo di impatto metta a rischio la missione;
3. Affiancare queste capacità con mezzi esterni di rimozione quando gli oggetti spaziali non rientrano in atmosfera autonomamente;
4. Assicurarsi che gli oggetti spaziali siano pronti per la rimozione, poiché la preparazione post-missione è essenziale. Ciò include la progettazione di componenti che possano essere facilmente catturati o manovrati dai sistemi di rimozione.

Migliorare la rimozione orbitale

Al momento, esistono architetture che consentono a un oggetto di rientrare in atmosfera autonomamente al termine della missione, e.g., sistemi per veicoli spaziali in orbita terrestre bassa, ma è necessario renderle più accessibili economicamente e più affidabili per raggiungere alti tassi di successo nelle operazioni di rimozione per una diffusione su larga scala.

Inoltre, potrebbero essere esplorate soluzioni alternative per diverse regioni orbitali e casi d'uso. Le soluzioni per affrontare questa problematica includono lo sviluppo e adozione di sistemi sicuri e affidabili.

Tra i fattori chiave, è possibile nominare:

1. Soluzioni di smaltimento economiche, in particolare per i piccoli satelliti. Ciò include tecnologie come i sistemi di propulsione, le vele solari, paracadute atmosferici, sottosistemi di smaltimento "plug and play". Approcci simili ridurrebbero i costi anche per missioni di breve durata;
2. Architetture che aumentano la probabilità di un rientro in atmosfera o in maniera autonoma, tenendo conto di possibili estensioni della missione, guasti o fattori esterni. Inoltre, l'inserimento di dispositivi di backup e la progettazione secondo ampi margini di sicurezza possono consentire al veicolo di affrontare situazioni e imprevisti;
3. Il miglioramento della comprensione delle pratiche operative, includendo la condivisione delle informazioni tra le agenzie spaziali, l'adozione di procedure operative standardizzate, la gestione del rientro sicuro di un corpo in atmosfera. L'efficienza operativa in queste situazioni è fondamentale per ridurre i rischi di fallimento nelle missioni di smaltimento dei detriti spaziali.

Allo stesso modo, sono necessari lo sviluppo, la validazione e l’adozione di sistemi avanzati di monitoraggio della salute dei veicoli spaziali. Metodi di verifica efficaci e, possibilmente, efficienti, sono essenziali per garantire la rimozione tempestiva e sicura dei detriti spaziali, evitando che di mettere a rischio le missioni attive in orbita. Ciò riguarda principalmente:

1.    Tecnologie avanzate per il monitoraggio in-situ: Sensori vibro-acustici, fibre ottiche integrate nei materiali compositi (CFRP), accelerometri, sensori di temperatura e radiazione, misurazione precisa del propellente.

2.    Rilevamento delle anomalie e previsione dei guasti: Tecniche basate sull’IA, modelli digital twin, miglioramento dell’interazione tra operatori e sviluppatori.

3.    Monitoraggio sistematico dei dati di volo: Analisi di guasti, anomalie, degrado delle prestazioni e gestione delle risorse per aggiornare le probabilità di successo nello smaltimento dei satelliti.

Inoltre, sono necessari metodi di verifica per una rimozione tempestiva ed efficace:

1.    Metodologia standard per il calcolo della durata orbitale residua, considerando coefficiente di resistenza, modelli atmosferici e solari, e parametri specifici;

2.    Metodologia standard per valutare la probabilità di smaltimento, includendo il rischio di impatti con detriti o altri oggetti, con aggiornamenti periodici fino al termine della vita operativa.

Preparazione (degli oggetti spaziali) per la rimozione

Quando un oggetto spaziale non riesce a “de-orbitare” autonomamente, è necessario ricorrere a mezzi esterni per la sua rimozione. Ciò richiede interfacce e strumenti specifici per agevolare operazioni di cattura e rimozione, adattabili a diversi tipi e dimensioni e a diverse strategie di smaltimento. Tra i fattori abilitanti per questa preparazione, la standardizzazione delle interfacce di rimozione e delle attività è essenziale.

Dimostrazioni di fattibilità

Anche con sistemi di smaltimento affidabili, alcuni satelliti potrebbero non riuscire a de-orbitare autonomamente. Per questo, è fondamentale dimostrare l’efficacia dei servizi di rimozione esterni. Tra le attività principali, è fondamentale dimostrare in loco lo stato dei satelliti in una situazione reale e l’integrità strutturale per stimare rischi e fattibilità di rimozione. Tra le tecnologie dimostrabili, è possibile annoverare:

• Le tecnologie di caratterizzazione basate su ispezioni in-situ e campagne di osservazione secondo dati telemetrici;
• L’analisi dell’integrità strutturale in live-view, con modellazione predittiva dell’invecchiamento e osservazioni dedicate.

Conclusioni

Sono necessari ulteriori sforzi per sviluppare soluzioni tecniche e operative volte a migliorare la probabilità di successo nel “deorbitare” gli oggetti spaziali al termine della loro missione. Raggiungere una rapida e efficace rimozione orbitale dopo la fine della missione è fondamentale per evitare l’accumulo di detriti. Per ottenere un tasso di successo della rimozione orbitale di almeno il 99%, sono necessari miglioramenti a vari livelli, tra cui, ma non solo:

·      Aumentare la probabilità che un oggetto rientri autonomamente in atmosfera terrestre dopo la fine della missione;

·      Progettare architetture di veicoli spaziali più affidabili;

·      Integrare queste capacità con mezzi esterni, come i servizi di rimozione, quando necessario (Figura 4, 5);

·      Garantire che gli oggetti spaziali siano predisposti per la rimozione.

L'attuale modello delle operazioni spaziali sta cambiando grazie ad aziende estremamente capitalizzate, quali per esempio SpaceX e BlueOrigin. Prima, esso si basava sull'uso singolo dei veicoli spaziali, progettati per essere lanciati, operare e poi essere eliminati nell'atmosfera o posizionati in orbite morte. Per un futuro più sostenibile, è necessario passare a un modello di economia circolare nello spazio, che mira a ridurre l'uso delle risorse e aumentare il valore derivato dagli asset spaziali.