Ripulire lo spazio vicino è molto più difficile di quanto sembri
Il problema dell'inquinamento spaziale preoccupa l'intera comunità aerospaziale. Tali ipotetici sviluppi nell'orbita terrestre bassa, come la sindrome di Kessler, che prevede la formazione di detriti spaziali fuori controllo, hanno agitato anche i media popolari. È chiaro che c'è bisogno di una ricerca fondamentale per capire di quale pericolo è irto anche un piccolo frammento e per calcolare quanto siamo disposti a pagare per ripulire lo spazio.
Oggi, politici, scienziati, tecnici e il pubblico in generale sono profondamente consapevoli della proliferazione dei detriti spaziali. Grazie al fondamentale lavoro di J-K. Liouville e Nicholas Johnson, pubblicato nel 2006, capiamo che il tasso di detriti è destinato a continuare ad aumentare in futuro, anche se tutti i lanci vengono interrotti. La ragione di questa crescita sostenuta sono le collisioni che dovrebbero verificarsi tra i satelliti e gli stadi dei razzi già in orbita. Ciò è motivo di grande preoccupazione per molti operatori satellitari, che sono costretti ad adottare misure adeguate per proteggere i propri beni.
Alcuni esperti ritengono che questi incidenti saranno solo l'inizio di una serie di collisioni che renderanno quasi impossibile l'accesso all'orbita terrestre bassa. Questo fenomeno, descritto per la prima volta in dettaglio dal consulente della NASA Donald Kessler, è comunemente indicato come sindrome di Kessler. Ma è probabile che la realtà sia molto diversa da previsioni o eventi simili mostrati nel film "Gravity". In effetti, i risultati presentati all'Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC) alla sesta conferenza europea sull'argomento hanno indicato un aumento previsto di detriti di solo il 30% in 200 anni con lanci continui.
Le collisioni si verificheranno ancora, ma la realtà sarà lontana dallo scenario catastrofico che alcuni temono. La crescita della quantità di detriti spaziali può essere ridotta a un livello abbastanza modesto. La proposta dell'IADC è quella di diffondere ampiamente e aderire rigorosamente alle linee guida per la mitigazione dei detriti spaziali, in particolare per quanto riguarda la neutralizzazione delle fonti energetiche, che dovrebbero essere pienamente sviluppate entro la fine del volo, e lo smaltimento dopo la fine del volo. Tuttavia, dal punto di vista dell'IADC, il previsto aumento della quantità di rifiuti, nonostante gli sforzi in corso, richiede ancora l'introduzione di ulteriori misure per combattere i fattori di rischio esistenti.
Nessun progresso?
Nove anni dopo la pubblicazione del lavoro di Liouville e Johnson, è stato notato un notevole interesse per la bonifica dell'ambiente spaziale. In particolare, sono stati compiuti passi in tutto il mondo per sviluppare metodi per rimuovere oggetti dall'orbita terrestre bassa. L'Agenzia spaziale europea, ad esempio, ha recentemente annunciato l'intenzione di assicurarsi il sostegno del governo per il lancio di un veicolo spaziale europeo nel prossimo decennio. L'agenzia ha condotto numerosi studi per determinare modi razionali e affidabili per raggiungere l'obiettivo. Un elemento chiave della pianificazione sono stati i modelli computerizzati dello spazio dei detriti, che hanno dimostrato che la crescita dei detriti può essere prevenuta rimuovendo specifici veicoli spaziali o stadi di razzi. Nelle simulazioni al computer, questi oggetti sono identificati come i più soggetti a collisioni, quindi dopo essere stati rimossi dall'orbita, il numero di collisioni dovrebbe diminuire drasticamente, il che impedirà la comparsa di nuovi detriti a causa della dispersione dei detriti.
Sono passati quasi dieci anni dalla pubblicazione del lavoro di Liouville e Johnson, ed è sorprendente che a livello internazionale o nazionale non esistano principi metodologici che definiscano chiaramente misure per eliminare le conseguenze dell'inquinamento dello spazio vicino alla Terra. Sembra esserci una certa apatia nello sviluppo di una procedura di smaltimento dei detriti, nonostante le richieste di azione. Ma è davvero così?
In effetti, la situazione non è così semplice come sembra. Per quanto riguarda la procedura di rimozione dei detriti spaziali, ci sono alcune domande fondamentali che devono ancora essere risolte. Di particolare interesse sono le questioni relative alla proprietà, alla responsabilità e alla trasparenza. Ad esempio, molte delle tecnologie offerte per la rimozione dei detriti possono essere utilizzate anche per rimuovere o disabilitare un veicolo spaziale attivo. Pertanto, ci si può aspettare accuse che queste tecnologie siano armi. Ci sono anche domande riguardanti il costo di un programma coerente di smaltimento dei rifiuti. Alcuni tecnici lo hanno stimato a decine di trilioni di dollari.
Tuttavia, forse la ragione più importante della mancanza di adeguati principi metodologici risiede nel fatto che non sappiamo ancora come effettuare la bonifica, con cui in pratica si intende la purificazione dello spazio esterno. Ma questo non significa che non sappiamo di quali tecnologie abbiamo bisogno.
Gli algoritmi per l'uso una tantum sono già stati praticamente sviluppati. Il vero problema nasce da un compito apparentemente semplice: determinare i detriti "corretti" da rimuovere dall'orbita. E finché non riusciremo a risolvere questo problema, sembra che non saremo in grado di recuperare spazio.
Giocando ai rottami
Per realizzare la natura problematica della risoluzione di un compito apparentemente semplice come identificare la spazzatura da rimuovere, utilizziamo l'analogia di un gioco con un mazzo di 52 carte da gioco ordinarie. In questa analogia, ogni mappa rappresenta un oggetto nello spazio esterno che potremmo voler rimuovere per prevenire una collisione. Dopo che le carte sono state distribuite, mettiamo ogni carta individualmente coperta sul tavolo. Il nostro obiettivo ora è cercare di identificare gli assi e rimuoverli dal tavolo, poiché queste carte rappresentano satelliti o altri grandi oggetti di detriti spaziali che potrebbero diventare partecipanti alla collisione in futuro. Possiamo rimuovere tutte le carte che vogliamo dal tavolo, ma ogni volta che rimuoviamo una carta, dobbiamo pagare $ 10. Inoltre, mentre ci allontaniamo, non abbiamo il diritto di guardare la mappa (se un satellite viene rimosso dall'orbita, non possiamo dire con certezza cosa esattamente potrebbe diventare un partecipante alla collisione). Infine, dobbiamo pagare $ 100 per ogni asso che rimane sul tavolo, che rappresenta le potenziali perdite derivanti da collisioni che coinvolgono i nostri satelliti (in realtà, il costo di sostituzione di un satellite può variare da $ 100.000 a $ 2 miliardi).
Bene, come possiamo risolvere questo problema? Sul retro, tutte le carte sono uguali, quindi non c'è modo di dire dove sono gli assi, e l'unico modo per assicurarci di aver eliminato tutti gli assi è eliminare tutte le carte dal tavolo. Nel nostro esempio, questo costerà un massimo di $ 520. Nello spazio, affrontiamo lo stesso problema: non sappiamo esattamente quali oggetti possono essere coinvolti nelle collisioni, ma è troppo costoso rimuoverli tutti, quindi dobbiamo scegliere. Supponiamo di aver fatto una scelta: per rimuovere una carta del valore di $ 10, qual è la probabilità che abbiamo rimosso un asso? Bene, la probabilità che la carta sia un asso è quattro divisibile per 52, in altre parole circa 0, 08 o 8 percento. Pertanto, la probabilità che la carta non sia un asso è del 92 percento. Questa è la probabilità che abbiamo sprecato i nostri $ 10.
Cosa succede se questa volta prendiamo una seconda carta (che ci costerà altri 10 dollari)? La probabilità che la seconda carta sia un asso dipende dal fatto che la prima carta fosse un asso. Se così fosse, allora la probabilità che anche la seconda carta sia un asso è tre diviso 51 (perché ora ci sono solo tre assi nel mazzo, che è diminuito di una carta). Se la prima carta non è un asso, allora la probabilità che la seconda carta sia un asso è quattro diviso 51 (perché ci sono ancora quattro assi nel mazzo più piccolo).
Possiamo usare questo metodo per determinare la probabilità di aver rimosso entrambi gli assi: moltiplichiamo semplicemente le probabilità per trovare la risposta: 4/52 per 3/51, che ci dà una probabilità di 0,0045 o 0,45 percento del valore di $ 20 per due carte RIMOSSO. Non molto incoraggiante.
Tuttavia, possiamo anche determinare la probabilità di rimuovere almeno uno degli assi. Dopo aver pescato due carte, c'è una probabilità del 15% che abbiamo rimosso con successo almeno uno degli assi. Sembra più promettente, ma le probabilità non sono nemmeno molto buone ora.
Si scopre che per aumentare le possibilità di pescare almeno uno degli assi, dobbiamo rimuovere più di nove carte (del valore di $ 90) o più di 22 carte (del valore di $ 220) se vogliamo essere sicuri al 90 percento che abbiamo rimosso uno degli assi. Anche se ci riusciamo, ci sono ancora tre assi sul tavolo, quindi in totale dobbiamo ancora pagare $ 520, che per coincidenza è la stessa somma che avremmo dovuto pagare se avessimo scelto l'opzione con la rimozione di tutte le carte.
I giochi sono finiti
Tornando dalla nostra analogia all'ambiente spaziale reale, la situazione sembra essere più allarmante. Attualmente, circa 20.000 oggetti vengono tracciati in orbita utilizzando la rete statunitense di stazioni di osservazione spaziale, con circa il 6% di questi oggetti che pesano più di una tonnellata, che potrebbero ipoteticamente partecipare a una collisione e che potremmo voler rimuovere. … Nell'analogia con le carte, il nostro problema è che il retro di tutte le carte è lo stesso e la probabilità che una sia un asso di picche è la stessa della probabilità che anche l'altra sia un asso. Non c'è modo di identificare le carte che vuoi e rimuoverle dal tavolo. In realtà, le nostre possibilità di evitare una collisione sono molto più alte che in un gioco di carte, perché in orbita possiamo vedere la probabilità che alcuni oggetti siano coinvolti in collisioni e possiamo concentrare la nostra attenzione su di essi. Ad esempio, gli oggetti che si trovano in orbite densamente popolate come l'eliosincrono ad altitudini comprese tra 600 e 900 chilometri hanno maggiori probabilità di essere coinvolti in collisioni dovute alla congestione in questa zona. Se concentriamo la nostra attenzione su oggetti simili (e altri su orbite similmente congestionate) e teniamo conto delle previsioni sulla possibilità della loro collisione, risulta che dobbiamo rimuovere circa 50 oggetti per ridurre il numero previsto di collisioni catastrofiche di una sola unità, che deriva dai risultati della ricerca intrapresi dai membri dell'agenzia spaziale IADC.
E si scopre che anche se diversi oggetti possono essere rimossi da un singolo veicolo spaziale più pulito (e cinque bersagli sembrano essere un'alternativa versatile), molti voli, spesso impegnativi e ambiziosi, devono essere intrapresi solo per prevenire una collisione.
Perché non siamo in grado di prevedere in modo più accurato la probabilità di collisioni e rimuovere solo quegli oggetti che sappiamo per certo saranno pericolosi? Ci sono molti parametri che possono influenzare la traiettoria di un satellite, incluso l'orientamento del satellite, che si tratti di un movimento irregolare o di condizioni meteorologiche spaziali (che possono influenzare la resistenza subita dai satelliti). Anche piccoli errori nei valori iniziali possono portare a grandi discrepanze nei risultati del calcolo della posizione del satellite rispetto alla realtà e dopo un periodo relativamente breve. In effetti, utilizziamo la stessa tecnica dei previsori: utilizziamo modelli per generare la probabilità di risultati specifici, ma non il fatto che questi risultati saranno mai ottenuti.
Pertanto, abbiamo tecnologie che possono essere utilizzate occasionalmente per rimuovere i detriti spaziali. Questa è la posizione assunta dall'Agenzia Spaziale Europea con la sua missione pianificata e. Deorbit, ma ci sono ancora problemi da risolvere per individuare gli oggetti più idonei alla rimozione. Questi problemi devono essere affrontati prima che le linee guida ei principi metodologici necessari possano essere resi disponibili a coloro che sono interessati a preparare un programma di rimozione dei detriti spaziali a lungo termine, essenziale per un'efficace bonifica ambientale.
I principi metodologici in termini di siti specifici, il loro numero, requisiti e vincoli sono essenziali per aumentare la probabilità che gli sforzi per risanare l'ambiente siano efficaci e meritevoli. Per sviluppare tali principi metodologici, dobbiamo riconsiderare le nostre aspettative irragionevoli di un esito favorevole.
