Progetto Lyra: all’inseguimento dell’asteroide interstellare 1I/’Oumuamua

La possibilità di avvicinarsi per un sorvolo a breve distanza a 1I/’Oumuamua, il primo asteroide di indubbia origine interstellare osservato all’interno del nostro sistema solare, fornisce l’opportunità di studiare direttamente materiali provenienti da altri sistemi stellari. Una missione di inseguimento, da concludere entro un ragionevole lasso di tempo, è effettivamente un’ impresa possibile con l’attuale tecnologia, ma è resa ardua dall’elevata velocità dell’asteroide, che è pari a circa 26 km/s e lo rende molto più veloce di qualsiasi nostro veicolo spaziale lanciato fino ad oggi. Questo articolo presenta un’analisi di carattere generale sulle possibili opzioni riguardanti una missione a breve termine. Entro 10 anni da oggi si potrebbe lanciare una sonda automatica in grado di  raggiungere una velocità compresa tra 33 e 76 km/s, per ottenere missioni di durata compresa tra 30 e 5 anni. La data di lancio influirà sulla velocità e la durata delle missioni supponendo un trasferimento ad impulso diretto verso la posizione dell’asteroide. Descriveremo varie opzioni e traiettorie, spaziando dalla manovra di Oberth, che usa la propulsione chimica, a opzioni più avanzate rese possibili dall’uso di vele fotoniche , elettriche o irradiate (generalmente con laser o fasci di microonde).

 

1. Introduzione

Il 19 ottobre del 2017 il telescopio Pan-STARRS dell’Università delle Hawaii in Haleakala ha scoperto un oggetto molto veloce vicino alla Terra, inizialmente chiamato A/2017 U1, ma attualmente denominato 1I/’Oumuamua [1]. Quest’oggetto non è confinato nel sistema solare, il suo eccesso iperbolico eliocentrico, cioè la velocità orbitale all’infinito ottenibile lungo traiettorie iperboliche eliocentriche (d’ora in poi indicata come v) è pari a circa 26 km/s, e l’esame della direzione del suo moto in entrata nel Sistema Solare fa pensare che l’oggetto provenga dalla costellazione della Lyra [2].  Osservazioni più accurate da parte dell’osservatorio di Monte Palomar indicano che 1I/’Oumuamua è di colore prevalentemente rosso, segno di una lunga esposizione all’ambiente spaziale, che lo rende molto simile agli oggetti presenti nella Fascia di Kuiper [3]. Le sue caratteristiche orbitali sono state anch’esse analizzate [2,4]

Fino ad oggi raramente simili oggetti sono entrati nel Sistema Solare e 1I/’Oumuamua rappresenta al momento il più vicino “accumulo” di materiale interstellare, probabilmente dotato di una firma isotopica diversa da qualsiasi altro. Quindi le ricadute scientifiche derivanti dall’analisi di un oggetto del genere non sono da sottovalutare. È probabile che passino ancora decenni prima di poter effettuare degli studi dettagliati su materiale interstellare nel luogo di origine anche se il Progetto Starshot della Breakthrough Initiatives, per esempio, sta dedicando molte energie al problema. Sarebbe quindi interessante valutare se c’è un modo per sfruttare questa opportunità inviando una sonda spaziale verso 1I/’Oumuamua per compiere delle osservazioni ravvicinate.

Il 30 ottobre la Initiative for Interstellar Studies (I4IS) ha presentato il Progetto Lyra per valutare la fattibilità di una missione verso 1I/’Oumuamua usando tecnologie attuali o di prossimo sviluppo, e  proporre progetti di missione in grado di realizzare fly-by  o rendezvous (Incontro ravvicinato). E siccome 1I/’Oumuamua sta già lasciando il nostro sistema solare, qualsiasi veicolo spaziale lanciato in futuro per intercettarlo dovrà dar luogo a un inseguimento, probabilmente senza ritorno. Ciò significa che, oltre all’interesse puramente scientifico, questa missione avrebbe ricadute dirette e immediate sulla tecnologia dell’esplorazione spaziale. Questo articolo presenta alcuni dati preliminari per un progetto di missione verso 1I/’Oumuamua.

interstellare asteroide eccesso iperbolico eliocentrico velocità orbitale all'infinito vela fotonica irradiata laser microonde energia caratteristica C3 Oumuamua Oberth

2. Analisi della traiettoria

Data la velocità v  dell’asteroide e la sua inclinazione sul piano dell’eclittica, il primo parametro da calcolare riguarda l’incremento di velocità (DeltaV) richiesto per raggiungere l’oggetto, elemento chiave per progettare il sistema di propulsione. Ovviamente un veicolo spaziale più lento intercetterà l’oggetto più tardi di un veicolo più veloce, e ciò implica il raggiungimento di un compromesso tra durata del viaggio e DeltaV richiesto. Inoltre, prima verrà lanciato il veicolo e minore sarà l’aumento, con il passare del tempo, della durata del viaggio e della distanza dall’oggetto. Tuttavia, una data di lancio entro i prossimi 5 anni è poco realistica, e anche entro 10 anni risulta piuttosto complicata, dato che probabilmente andrebbero sviluppate da zero nuove tecnologie. Da qui, un terzo compromesso di base è tra data di lancio e durata del viaggio/energia caratteristica (C3). L’energia caratteristica è il quadrato della velocità v, che può essere intesa come la velocità all’infinito rispetto al Sole. Queste relazioni sono riportate in figura 2. La figura mostra l’energia caratteristica richiesta per il lancio rispetto alla durata della missione e alla data di lancio. È stato immaginato un sistema propulsivo a impulsi con un tempo di spinta sufficientemente breve. Non sono stati considerati fly-by planetari o solari, solamente un lancio diretto verso l’oggetto. Si nota subito che esiste un minimo della C3 di circa 26.5 km/s (703 km2/s2 ). Tuttavia, questo valore minimo aumenta rapidamente qualora la data di lancio venga posticipata. Allo stesso tempo, una maggiore durata della missione porta alla diminuzione della C3 richiesta ma implica un incontro con l’asteroide a una distanza maggiore dal Sole. Una realistica data di lancio per la sonda potrebbe cadere come minimo nel 2028. A quel punto,  il valore di v sarà già di  37.4 km/s (1400 km2/s2 ) con una durata della missione pari a circa 15 anni, il che renderebbe estremamente impegnativo l’inserimento in orbita della sonda intorno all’asteroide qualora si usino gli odierni lanciatori, senza l’ausilio di fly-by planetari.

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Figura 2: energia caratteristica C3  rispetto alla durata della missione e alla data di lancio.

 A parte la velocità di eccesso iperbolico al lancio (v∞), deve essere presa in considerazione anche la velocità di eccesso relativa all’asteroide al momento dell’incontro (v ,2), dal momento che definisce il tipo di missione realizzabile. Un elevato eccesso di velocità rispetto all’asteroide riduce  il tempo a disposizione per le osservazioni a distanza ravvicinata. D’altro canto, un basso valore di v,2 può anche permettere l’inserimento della sonda in orbita attorno all’asteroide con una manovra di decelerazione impulsiva o a bassa spinta. Il valore di v all’arrivo è mostrato in figura 3 in funzione della data di lancio e della durata del volo. La deformazione delle curve, visibile in figura, è dovuta all’orbita della Terra attorno al Sole, che comporta una posizione di lancio verso l’oggetto più o meno favorevole. È possibile vedere un valore minimo di v di circa 26.75 km/s, corrispondente a un lancio da fare nel 2018 con una durata del viaggio di oltre 20 anni. Un valore del genere di v∞ non impedisce un inserimento orbitale attorno a 1I/‘Oumuamua. Tuttavia, questo valore minimo aumenta rapidamente per date di lancio successive. Una data di lancio realistica per una sonda va dai 5 ai 10 anni da oggi (dal 2023 al 2027). E a quel punto il valore di  v∞  per questa missione oscillerà tra i 33 ai 76 km/s, per una durata che va dai 30 ai 5 anni. Questi valori superano di gran lunga le prestazioni degli attuali sistemi di propulsione chimica o elettrica disponibili per far decelerare la sonda e inserirla in orbita intorno all’asteroide, e per questo un fly-by risulta più ragionevole.

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Figura 3: velocità v∞ in relazione alla durata di missione e alla data di lancio

La figura 4 mostra la distanza approssimativa alla quale il veicolo spaziale raggiungerà l’oggetto. Per una realistica data di lancio nel 2028, o successiva, il veicolo si avvicinerà  all’oggetto quando la coppia si troverà a una distanza dal Sole compresa tra le 100 e le 200 unità astronomiche (U.A.), paragonabile a quella in cui al momento attuale si trovano le sonde Voyager, e dove i pannelli fotovoltaici risultano ormai inutilizzabili. La sonda quindi avrà necessità di generatori termonucleari a radioisotopi, i cosidetti RTG, ben noti per aver  equipaggiato le più famose missioni nello spazio profondo, come Cassini, New Horizons, e altre.

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Figura 4: date di lancio in relazione alla durata di missione. I colori indicano la distanza alla quale il veicolo spaziale raggiunge l’obiettivo.

La figura 5 mostra un esempio di traiettoria con data di lancio nel 2025. L’orbita della Terra può essere vista come una piccola ellissi attorno al Sole (indicato con un cerchio nero) in basso a destra. Le traiettorie della sonda e dell’asteroide (indicato erroneamente come “comet” perché i grafici sono stati ottenuti prima che si potesse notare che nessuna “coda” era apparsa nel corso dell’avvicinamento al Sole), e sono delle linee quasi rette.

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Figura 5: esempio di traiettoria con un lancio nel 2025 e un rendezvous con 1I/’Oumuamua nel 2055

 

 Un’altra proposta è di non inseguire necessariamente 1I/’Oumuamua, ma di prepararsi per il prossimo oggetto interstellare in arrivo nel nostro sistema solare, sviluppando i mezzi per lanciare rapidamente un veicolo spaziale verso di esso.
Vengono analizzati due scenari: prima una missione dalla durata di appena un anno, mirata ad incontrare un oggetto a sole 5,8 U.A. dal Sole. Tuttavia la velocità v∞ richiesta al lanciatore è approssimativamente di circa 20 km/s. Per concludere, a causa dell’angolo di incontro si è supposta una elevata velocità relativa dell’asteroide che ammonta a 13.6 km/s, mostrata in figura 6.

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Figura 6: traiettoria di lancio nel 2017 e rendezvous nel 2018

 

 

Una missione alla stessa data di lancio ma con una durata di 20 anni è mostrata in figura 7. Al momento dell’incontro, la velocità relativa del veicolo spaziale rispetto all’oggetto è relativamente bassa (circa 600 m/s per il caso in esame), tale da fornire l’opportunità per una manovra di decelerazione.

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Figura 7: traiettoria di lancio nel 2017 e incontro nel 2037. 

Ricapitolando, la difficoltà nel raggiungere 1I/’Oumuamua è in relazione alla data di lancio, al valore della velocità v, e alla durata della missione. I futuri progettisti della sonda dovranno necessariamente trovare un appropriato compromesso tra questi parametri. Per una realistica data di lancio in 5 o 10 anni, la velocità v∞ è dell’ordine dei 33 fino ai 76 km/s, con una distanza di approccio ben oltre l’orbita di Plutone (50-200 U.A.).

 

3. Idee e Tecnologie

Come visto in precedenza, raggiungere 1I/’Oumuamua con una realistica data di lancio (entro i prossimi 5 o 10 anni) è una sfida formidabile per gli attuali sistemi  di propulsione. Teoricamente un’architettura di missione che richieda un singolo lancio, ad esempio utilizzando il nuovo Space Launch System (SLS) della NASA, semplificherebbe di molto il progetto. Tuttavia altri fornitori di servizi di lancio prevedono di sviluppare nei prossimi anni nuovi progetti promettenti.

Un’altra potenziale architettura di missione prevede l’uso del Big Falcon Rocket (BFR) della SpaceX, con la sua tecnica di rifornimento in orbita, pronto al lancio per il 2025.

Per raggiungere il valore richiesto di v (almeno 30km/s) è stato previsto anche un fly-by di Giove combinato con un fly-by ravvicinato del Sole (meno di 3 raggi solari) soprannominato fry-by solare. Questa manovra è anche conosciuta come Manovra di Oberth [5] L’architettura di tale missione si basa sui cosidetti studi precursori di missioni interstellari eseguiti dal Keck Institute fo Space Studies (KISS) [6], insieme al Jet Propulsion Laboratory (JPL) [7]. L’utilizzo del BFR  rende però non più necessario il flyby multiplanetario previsto per incrementare il momento richiesto per la traiettoria di Giove. Invece tramite un lancio diretto da un’Orbita Terreste Altamente Eccentrica (HEEO) si fornisce alla sonda, grazie a vari altri stadi propulsivi, una C3 di 100 km2/s2  tale da immetterla su una traiettoria di 18 mesi verso Giove e quindi, con una successiva fionda gravitazionale, effettuare il fry-by solare.

Uno scudo termico multistrato proteggerà la sonda, che verrà accelerata al perielio da un motore a razzo con propellente solido ad alta spinta. Lo studio effettuato dal Keck Institute sul mezzo interstellare ha verificato che tramite questa tecnica è possibile raggiungere una v∞ pari a 70 km/s, valore che con un lancio nel 2025 consente di intercettare l’oggetto nel 2039 a 85 U.A. dal Sole. Una versione meno ambiziosa prevede v∞  = 40 km/s con un’intercettazione nel 2051 a 155 U.A.

Ma in tutti i tipi di architettura  si enfatizza l’urgenza di avviare al più presto  la missione piuttosto che l’utilizzo di tecniche avanzate,  come  ad esempio vele fotoniche, vele laser, o  propulsione elettrica,  che aprirebbe un maggior numero di opzioni di  fly-by o rendezvous con 1I/’Oumuamua. Comunque rallentare il veicolo spaziale in prossimità del bersaglio è indispensabile per massimizzare il ritorno alla Terra dei dati scientifici raccolti. Nel caso si volesse effettuare, al termine della missione, una collisione ad alta velocità tra l’asteroide e la sonda, ci sarebbe anche la possibilità di ottenere l’analisi spettrale della luce emessa. 

Un’altra idea, proposta da Streeman e Peck [11], è di inviare una flotta di minuscoli chip ChipSats  all’interno della magnetosfera di Giove, e poi, usando la Forza di Lorentz, accelerarli fino a raggiungere la velocità di circa 3000 km/s. Tuttavia potrebbe non essere semplice governare il movimento di queste mini-sonde. [12,11,13]

Per una missione con vela solare, è stato immaginato un lancio da un’orbita terrestre, con un tempo di preparazione di 4 o 5 anni. La v∞ richiesta è di circa 55 km/s, suggerendo per la missione un numero di leggerezza pari a 0.15 e un’accelerazione caratteristica di  0.009m/s2  Questo richiede, per la vela, un carico di  1 g/m2. Allo stato dell’arte, materiali avanzati con carico utile leggero potrebbero raggiungere  0.1 g/m2. Detto questo e assumendo per la vela un carico di σ =1 g/m2, ecco la TABELLA 1  in cui vengono mostrate diverse idee di vela per diverse masse del veicolo spaziale, considerando sia vele a quattro lati che circolari.

TABELLA 1: parametri di vele solari relativi alla massa del veicolo spaziale 

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L’idea più appropriata e pratica [8,10] prevede un lancio entro 4 anni e 1 kg o meno di massa utile per la sonda.  Una missione con vela spinta da laser, basata sulla tecnologia del Progetto  Starshot e messo in opera dalla Breakthrough Initiative, utilizza un fascio laser di 2.74 MW e, con un lancio in 3,5 anni (2021), accelerando un 1 g per 3000 secondi, è in grado di incrementare la velocità della sonda fino a 55 km/s. La sonda peserebbe circa 1 grammo e raggiungerebbe 1I/’Oumuamua in circa 7 anni. Con un laser di 27.4 MW si può usare anche una sonda di 10 grammi per la stessa missione. Veicoli spaziali con masse più grandi possono essere utilizzati usando differenti architetture di missione, con minori rapporti di accelerazione, e durata di volo più elevata. Tuttavia, con un’infrastruttura laser di questo tipo si potrebbero lanciare centinaia o migliaia di sonde. Si potrebbe creare quindi un’architettura a sciame  in grado di garantire un maggiore apporto di dati avendo una più vasta area di ricerca rispetto alle limitazioni imposte da un singolo veicolo spaziale monolitico.

Un’importante implicazione è che, una volta costruita un’infrastruttura nello stile del progetto Starshot, anche in scala ridotta, si potrebbe lanciare con breve avviso una missione di early-warning verso un oggetto interstellare in arrivo nel Sistema Solare [8-10], o intercettare qualsiasi oggetto rappresenti un pericolo per la Terra. Si potrebbe in questo modo giustificarne lo sviluppo anche per altri usi non strettamente scientifici (es. Difesa Planetaria).

Riguardo alla decelerazione in prossimità dell’oggetto, si possono ovviamente usare gli odierni sistemi di propulsione, ad esempio la propulsione elettrica, anche se limitata dalla bassa potenza specifica degli RTG di bordo. Ma per una intercettazione ben oltre l’eliosfera, nell’incontaminato mezzo interstellare (ISM), sono meritevoli di attenzione tecnologiche più avanzate, come la vela magnetica [14-15], la vela elettrica [16] o il più recente sistema di frenata con magnetoscudo [17]. Lo sviluppo di queste tecnologie più sofisticate è attualmente molto lento, e dipende dagli indispensabili passi in avanti nella fabbricazione di materiali superconduttori, ma potrebbe tuttavia moltiplicare di svariati ordini di grandezza il ritorno scientifico.
Una volta entrato nello spazio profondo, la piccola taglia dell’oggetto e il suo basso albedo renderanno complicate le osservazioni. Questo significa che il problema basilare della navigazione, cioè mantenere la sonda fissa su 1I/’Oumuamua con sufficiente accuratezza, in modo da avvicinarsi abbastanza all’oggetto per ottenere dati utili, è abbastanza preoccupante. A causa dell’incertezza sulla posizione di un oggetto così difficile da seguire, un progetto di missione basato su uno sciame sparso in grado di abbracciare una zona più vasta meriterebbe un approfondimento.

 

4. Conclusioni

La scoperta del primo oggetto interstellare entrato nel nostro sistema solare è un evento straordinario che potrebbe rappresentare una occasione unica nella vita professionale di un ricercatore, e, per valutare la fattibilità di tale missione, I4IS ha recentemente avviato il progetto Lyra. In quest’articolo abbiamo identificato le sfide chiavi per raggiungere 1I/’Oumuamua e fornito delle cifre approssimative riguardo alla durata della missione e la velocità di eccesso iperbolico in funzione della data di lancio. In ogni caso, una missione come questa sposta in avanti i confini di ciò che è tecnologicamente possibile al giorno d’oggi. Una missione basata sulla convenzionale propulsione chimica può essere fattibile utilizzando prima un fly-by di Giove e poi una fionda gravitazionale in prossimità del Sole. Alternativamente si può usare la tecnologia delle vele fotoniche [14-15] o delle vele magnetiche [17] a patto di avere i giusti materiali.
Un importante risultato delle nostre analisi è che il valore dell’infrastruttura laser del progetto Starshot della Breakthrough Initiative risiede nella flessibilità con cui intervenire per raggiungere rapidamente futuri inaspettati eventi, inviando ad esempio uno sciame di sonde verso il prossimo oggetto simile a 1I’/Oumuamua. Oggi, con un’infrastruttura del genere, una missione di intercettazione verso 1I’/Oumuamua sarebbe stata compiuta nel giro di un anno.
Come prossimi sviluppi, il progetto Lyra si focalizzerà su una più dettagliata analisi dei diversi concetti di missione e delle diverse opzioni tecnologiche, selezionando due o tre progetti fra i più promettenti che potranno essere sviluppati ulteriormente.

Titolo originale e fonti presso arxiv.org

 

Special  thanks and credits to Agenzia Spaziale Italiana e Wikipedia.it

Traduzione: Carlo Alberto RASONI

Editing e adattamento: Roberto FLAIBANI, Donatella LEVI

 

References
[1] The International Astronomical Union – Minor Planet Center, MPEC 2017-V17 : New Designation Scheme for Interstellar Objects, Minor Planet Electronic Circular. (2017). https://www.minorplanetcenter.net/mpec/K17/K17V17.html (accessed November 7, 2017).
[2] E. Mamajek, Kinematics of the Interstellar Vagabond A/2017 U1, (2017). http://arxiv.org/abs/1710.11364 (accessed November 5, 2017).
[3] J. Masiero, Palomar Optical Spectrum of Hyperbolic Near-Earth Object A/2017 U1, (2017). http://arxiv.org/abs/1710.09977 (accessed November 5, 2017).
[4] C. de la F. Marcos, R. de la F. Marcos, Pole, Pericenter, and Nodes of the Interstellar Minor Body A/2017 U1, (2017). doi:10.3847/2515-5172/aa96b4.
[5] R. Adams, G. Richardson, Using the Two-Burn Escape Maneuver for Fast Transfers in the Solar System and Beyond, in: 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Reston, Virigina, 2010. doi:10.2514/6.2010-6595.
[6] L. Friedman, D. Garber, Science and Technology Steps Into the Interstellar Medium, 2014.
[7] L. Alkalai, N. Arora, S. Turyshev, M. Shao, S. Weinstein-Weiss, A Vision for Planetary and Exoplanet Science: Exploration of the Interstellar Medium: The Space between Stars, in: 68th International Astronautical Congress (IAC 2017), 2017.
10
[8] P. Lubin, A Roadmap to Interstellar Flight, Journal of the British Interplanetary Society. 69 (2016).
[9] A.M. Hein, K.F. Long, D. Fries, N. Perakis, A. Genovese, S. Zeidler, M. Langer, R. Osborne, R. Swinney, J. Davies, B. Cress, M. Casson, A. Mann, R. Armstrong, The Andromeda Study: A Femto-Spacecraft Mission to Alpha Centauri, (2017). http://arxiv.org/abs/1708.03556 (accessed November 5, 2017).
[10] A.M. Hein, K.F. Long, G. Matloff, R. Swinney, R. Osborne, A. Mann, M. Ciupa, Project Dragonfly: Small, Sail-Based Spacecraft for Interstellar Missions, Submitted to JBIS. (2016).
[11] B. Streetman, M. Peck, Gravity-assist maneuvers augmented by the Lorentz force, Journal of Guidance, Control, and Dynamics. (2009).
[12] M. Peck, Lorentz-actuated orbits: electrodynamic propulsion without a tether, NASA Institute for Advanced Concepts, Phase I Final Report. (2006). http://www.niac.usra.edu/files/studies/abstracts/1385Peck.pdf (accessed April 18, 2016).
[13] J. Atchison, B. Streetman, M. Peck, Prospects for Lorentz Augmentation in Jovian Captures, in: AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Reston, Virigina, 2006. doi:10.2514/6.2006-6596.
[14] D. ANDREWS, R. ZUBRIN, Magnetic sails and interstellar travel, British Interplanetary Society, Journal. (1990). http://www.lunarsail.com/LightSail/msit.pdf (accessed April 16, 2016).
[15] N. Perakis, A.M. Hein, Combining Magnetic and Electric Sails for Interstellar Deceleration, Acta Astronautica. 128 (2016) 13–20.
[16] P. Janhunen, Electric sail for spacecraft propulsion, Journal of Propulsion and Power. (2004). http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/1.8580 (accessed August 14, 2016).
[17] A. Shimazu, D. Kirtley, D. Barnes, J. Slough, Cygnus Code Simulation of Magnetoshell Aerocapture and Entry System, Bulletin of the American Physical Society. (2017).

 

 

 

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