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L’efficienza nel trasferimento di veicoli spaziali tra orbite diverse
La ricerca di percorsi efficienti per il trasferimento di veicoli spaziali tra orbite diverse è un aspetto cruciale per il successo e la sostenibilità delle missioni spaziali. Due scienziati dell’Università del Surrey, nel Regno Unito, hanno sviluppato un nuovo metodo che consente di individuare traiettorie di trasferimento tra orbite all’interno di sistemi dinamici, come il sistema Terra-Luna, senza spreco di carburante.
Il problema circolare ristretto dei tre corpi
Il problema che si affronta quando una navicella si sposta tra due orbite in un sistema dinamico è noto come “problema circolare ristretto dei tre corpi” (Crtbp). Questo modello descrive il moto di un corpo di massa trascurabile (la navicella spaziale) sotto l’azione gravitazionale simultanea di due corpi di massa maggiore (la Terra e la Luna nel sistema Terra-Luna). In un sistema così composto, esistono punti di equilibrio del moto, detti punti di Lagrange, intorno ai quali si trovano diverse famiglie di orbite, a ciascuna delle quali sono associate “autostrade” che permettono il trasferimento del veicolo spaziale da un’orbita all’altra. Tuttavia, individuare le orbite più vantaggiose in termini di risparmio di propellente non è un compito semplice.
Un nuovo metodo per la ricerca di traiettorie efficienti
I metodi tradizionalmente utilizzati per individuare queste traiettorie, le cosiddette orbite eterocline, prevedono l’uso delle leggi della meccanica celeste, l’applicazione di algoritmi di machine learning, l’analisi delle perturbazioni orbitali, simulazioni e complessi calcoli computazionali. Il nuovo metodo, descritto in uno studio pubblicato sulla rivista Astrodynamics, utilizza la matematica per rivelare i percorsi migliori per spostarsi da un’orbita all’altra, ma senza fare ricorso a reti neurali artificiali e senza la necessità di utilizzare calcolo ad alte prestazioni. Sviluppata presso il Surrey Space Center, la nuova tecnica sfrutta la teoria dei nodi, grazie alla quale è possibile rilevare rapidamente traiettorie approssimative, che possono poi essere perfezionate.
L’approccio innovativo di Danny Owen e Nicola Baresi
Gli autori dello studio, lo studente di dottorato all’Università del Surrey Danny Owen e lo scienziato italiano Nicola Baresi, hanno portato avanti questa ricerca innovativa. Baresi, laureato in Fisica presso l’Università degli studi di Padova e con esperienze di ricerca in Israele e negli Stati Uniti, è oggi docente di meccanica celeste al Surrey Space Center. In un’intervista, Baresi ha spiegato che le connessioni eterocline sono traiettorie particolari che collegano due orbite differenti con un livello energetico simile e instabili. Mappare queste connessioni consente di ampliare le opzioni per il disegno di missioni spaziali e di manovrare satelliti da un’orbita instabile all’altra senza il consumo di carburante, paragonabile a un’imbarcazione che si lascia trasportare dalle correnti oceaniche senza dover ricorrere all’uso dei motori.
Il modello dinamico utilizzato per lo studio del moto dei veicoli spaziali è il “problema circolare ristretto dei tre corpi”, che viene ampiamente utilizzato per analizzare il moto di veicoli spaziali soggetti all’attrazione gravitazionale esercitata da due corpi celesti. Questo modello permette di identificare le traiettorie più efficienti in termini di consumo di carburante e di ridurre i costi e i rischi associati alle missioni spaziali.
Il nuovo metodo sviluppato dai ricercatori del Surrey Space Center rappresenta un importante passo avanti nella progettazione di missioni spaziali efficienti e sostenibili. Attraverso l’uso della teoria dei nodi, è possibile individuare rapidamente traiettorie approssimative che possono poi essere perfezionate, riducendo così lo spreco di carburante e contribuendo al successo delle missioni spaziali.
Le missioni spaziali che beneficeranno del nuovo metodo
Le implicazioni di questo studio sono di vasta portata e interessano una molteplicità di missioni spaziali. In particolare, le future missioni lunari che contribuiranno alla costruzione del Lunar Orbital Platform Gateway, così come quelle che verranno lanciate dalla nuova stazione spaziale per esplorare lo spazio lunare, potranno trarre vantaggio da questo approccio.
Non solo le missioni future, ma anche i telescopi spaziali e i satelliti europei già in orbita, come Gaia ed Euclid, potrebbero beneficiare delle connessioni eterocline. Questi satelliti, che si trovano in orbite quasi-periodiche attorno al secondo punto lagrangiano del sistema Sole-Terra, potrebbero essere riposizionati in nuovi punti strategici o orbite quasi-periodiche, sfruttando le quantità limitate di propellente rimaste per estendere la loro vita operativa e fornire nuove osservazioni dell’universo.
Per approfondire ulteriormente l’argomento, si consiglia la lettura dell’articolo “Applications of knot theory to the detection of heteroclinic connections between quasi-periodic orbits” di Danny Owen e Nicola Baresi, pubblicato sulla rivista Astrodynamics.
