La realizzazione di una missione spaziale umana su Marte è uno degli obiettivi a lungo termine fissati dall'astronautica fin dal suo inizio. Ritenuta inizialmente un tema della fantascienza, è diventata per alcuni scienziati, in seguito allo sbarco dell'uomo sulla Luna avvenuto nel 1969, la prossima fase dell'esplorazione dello spazio.
Tuttavia il successo di questo progetto richiede risorse finanziarie ancora ben al di sopra quelle del programma Apollo, che si era realizzato in presenza di una combinazione particolarmente favorevole di circostanze (guerra fredda, la ripresa economica). Il volo con equipaggio su Marte è anche una sfida tecnica e umana di dimensioni incomparabili rispetto a quella che si è affrontata per il volo verso la Luna. Entrano in gioco dei fattori quali le dimensione di una nave spaziale destinata alla spedizione che sia dotata di un sistema di supporto vitale a circuito chiuso destinato a funzionare per lunghi periodi (almeno 900 giorni), che garantisca una prolungata affidabilità. Inoltre vanno presi in considerazione anche i problemi psicologici di un equipaggio confinato in un piccolo spazio in un ambiente stressante e non da ultimi i problemi fisiologici derivanti dall'assenza di gravità per periodi prolungati e l'effetto delle radiazioni sul corpo umano.
Marte come obiettivo privilegiato dell'esplorazione spaziale.
Nel campo dell'esplorazione dello spazio, Marte occupa un posto speciale tra i pianeti del sistema solare. Anche se più lontano dal Sole rispetto alla Terra (l'intensità dei raggi solari è due volte inferiore) e molto più piccolo quanto a dimensioni (metà del diametro), Marte è il pianeta le cui caratteristiche sono più vicine al nostro. La conseguenza è che qui la probabilità di scoprire forme di vita passate o presenti è la più importante nel sistema solare. Marte oggi è un pianeta freddo, asciutto e quasi privo di atmosfera, ma in un lontano passato era caldo e l'acqua scorreva sulla sua superficie. Più lontano dalla Terra rispetto a Venere, ciononostante è ad una distanza che permette ad un veicolo spaziale di raggiungerlo, con le tecnologie a nostra disposizione, con un volo di una durata tra i 6 e i 9 mesi grazie ad una traiettoria che permetta il massimo risparmio di propellente. L'acqua non scorre più in superficie, ma è abbondante nelle calotte polari e nelle zone ombreggiate dei crateri anche a latitudini molto basse. I principali elementi chimici necessari per l'installazione di una colonia (ossigeno, azoto, idrogeno, carbonio) sono presenti sia nell'atmosfera sia nel suolo del pianeta.
Esempi di mezzi necessari per una missione su Marte: veicolo pressurizzato, habitat e navetta per il ritorno (fonte NASA).
La necessità dell'apporto umano nell'esplorazione di Marte.
Oltre quaranta veicoli spaziali, Orbiter, LG e Rover, sono stati inviati su Marte dall'inizio degli anni '60. Dopo una pausa di quasi 15 anni, dal 1996 si è iniziato a inviare un nuovo veicolo spaziale ad ogni apertura della finestra di lancio per Marte, ovvero ogni 26 mesi. Grazie a questo afflusso di veicoli, dotati di strumenti scientifici sempre più sofisticati e adattabili, si sono raccolti molti dati scientifici e fatte molte scoperte. Ma, nonostante i progressi nel campo dell'elettronica e dell'informatica utilizzati da questi dispositivi robotici, l'invio di un equipaggio sul suolo marziano presenterebbe diversi vantaggi importanti:
- La comprensione del contesto geologico: la presenza umana consentirebbe una rapida identificazione (visiva) del contesto geologico, la determinazione delle similitudini e delle differenze tra le rocce, la manipolazione delle rocce per determinare il loro tipo e le loro caratteristiche.
- Permetterebbe di selezionare i campioni di rocce e del suolo: la determinazione dei campioni più rilevanti nel contesto, i contatti tra il campione e il suo contesto geologico, l'identificazione dei campioni di eccezionale valore scientifico.
- Migliorerebbe l'analisi dei campioni raccolti utilizzando gli strumenti: gestione dei campioni, adattamento delle procedure di analisi con l'utilizzo dei risultati delle analisi per la successiva raccolta di campioni.
- L'utilizzo di robot a distanza. I rover su Marte sono stati fino ad ora sempre diretti dalla Terra pertanto, data la distanza tra le Terra e Marte e quindi il tempo di ritardo tra l'ordine del comando e la sua esecuzione (da 10 a 20 minuti), l'uso di tali robot è stato fortemente penalizzato.
Il comando dello sterzo dei robot sul suolo marziano è caratterizzato da un ritardo che riduce la loro produttività di dieci volte.
Esempio di vascello spaziale per dirigersi verso Marte (fonte NASA, 2009).
Gli obiettivi di una missione spaziale con equpaggio umano verso Marte.
La volontà di raggiungere straordinari obiettivi scientifici sono state le prime motvazioni avanzate per giustificare l'invio di astronauti sul suolo marziano. La designazione di questi obiettivi dipende dai mezzi che saranno concessi agli equipaggi: il numero e la durata delle uscite extraveicolari, la capacità di trasporto dei veicoli, le apparecchiature di analisi disponibili sul sito, gli strumenti di misura (stazioni meteorologiche, ecc...), la capacità di penetrare il terreno con dei trapani, l'energia disponibile e generabile sul posto, il coinvolgimento di rover robotici. Sarà data priorità alla ricerca che non può essere condotta dai robot come è stato fatto fino ad oggi. Gli obiettivi che possono essere citati oggi in questo settore possono peraltro essere fortemente modificati, prima del lancio della prima missione per via degli accertamenti effettuati dai rover robotici, o alla fine di una missione di ritorno da Marte che porti sulla Terra nuovi campioni di roccia o terreno.
Tre aree scientifiche sono interessate:
- L'astrobiologia: che consiste nell'indagare sulla presenza di vita passata o presente per studiare le sue caratteristiche, indagine che passa attraverso la ricerca della presenza di acqua.
- La geologia: che consiste nello studiare la geologia e la geofisica del pianeta per capire meglio la sua genesi, il suo clima con i suoi cambiamenti, con un impatto sulla nostra comprensione della formazione e dell'evoluzione della Terra.
- Le scienze atmosferiche: che consistono nel misurare temperatura, pressione dell'atmosfera di Marte e le sue variazioni stagionali utilizzando stazioni meteorologiche secondarie.
Non si può nascondere tuttavia che dato l'enorme costo di una missione su Marte, è molto probabile che le motivazioni politiche e sociali avranno un ruolo ancora più grande rispetto agli obiettivi scientifici nella decisione di lanciare il progetto. L'unico programma spaziale di tale portata, il programma Apollo era stato infatti lanciato per contrastare l'influenza e il prestigio dell'Unione Sovietica che, tra la fine degli anni '50 e l'inizio degli anni '60, aveva surclassato gli Stati Uniti nella esplorazione spaziale in un contesto di guerra fredda tra i due paesi.
Immagine simulata di una prospezione geologica in un canyon marziano.
Complessità di una missione su Marte.
L'invio di un equipaggio sulla superficie di un altro pianeta è un'impresa la cui complessità è ben illustrata dal costo del programma Apollo degli anni '60 (circa 170 miliardi di dollari), impresa che rimane l'unico tentativo riuscito fatto in questo campo. Tuttavia, da allora, mentre i progressi tecnici nel campo dell'elettronica sono stati importanti non altrettanto lo sono stati quelli nel campo della propulsione spaziale. Nessun particolare passo avanti è stato compiuto nel campo della propulsione spaziale e ciò è dimostrato dall'applicazione di motori sviluppati negli anni '60 su dei lanciatori usati recentemente. Per questi e per altri motivi l'invio di uomini su Marte è un obiettivo molto più complicato dell'atterraggio di un equipaggio sulla Luna.
Le diverse fasi di una missione su Marte.
Lo svolgimento di una missione umana su Marte comprenderebbe le seguenti fasi:
1) La singola nave o più navi sarebbero lanciate in un'orbita terrestre bassa. Una sosta in un'orbita terrestre bassa avrebbe lo scopo di prepararsi per il momento giusto per una traiettoria ottimale verso Marte ed eventualmente lo scopo di assemblare le navi stesse qualora fossero state lanciate in parti separate per motivi legati alla capacità dei lanciatori;
2) la nave verrebbe indirizzata a una traiettoria verso Marte: con una breve accensione dei motori, per allontanarsi dalla gravità della Terra sarebbe necessaria solo una velocità 3,82 km/s ovverosia: 3,22 km/ s per raggiungere la velocità di fuga e ulteriori 0,6 km/s per raggiungere il punto di trasferimento o di non ritorno tra la Terra e Marte;
3) il viaggio Terra-Marte continuerebbe per l'inerzia acquisita e le correzioni di direzione eventualmente necessarie consumerebbero solo una limitata quantità di combustibile.
A seconda che si volesse ottimizzare o meno la durata del viaggio questa potrebbe variare da un minimo di 180 giorni a un massimo di 260 giorni;
4) la nave entrerebbe in un'orbita marziana bassa decelerando di 2,3 km/s. In molti scenari, la nave da utilizzare per il ritorno sulla Terra rimarrebbe in orbita e l'equipaggio utilizzerebbe un'altra nave per scendere su Marte;
5) la nave atterrerebbe su Marte, cosa che richiederebbe di ridurre la velocità da 4,1 km/s a 0, se possibile, utilizzando solo tecniche passive che sfruttano la presenza di atmosfera marziana (resistenza aerodinamica, paracadute di frenata) per non dover portare carburante a questo scopo. Il modulo lunare Apollo che ha dovuto atterrare sulla Luna con l'ausilio di razzi proprio per l'assenza di una atmosfera aveva speso il 50% della sua massa (8 di 16 tonnellate) di carburante per decelerare solo 1,6 km/s;
6) l'equipaggio rimarrebbe su Marte da 30 a 550 giorni a seconda degli scenari;
7) l'equipaggio lascerebbe il suolo marziano con un veicolo che deve raggiungere una velocità di 4,1 km/s per giungere in orbita bassa;
8) Sempre a seconda dello scenario, l'equipaggio verrebbe trasbordato sulla nave per il ritorno che accelererebbe almeno a 2,3 km/s per raggiungere l'orbita della Terra;
9) il viaggio di ritorno durerebbe da 180 a 430 giorni a seconda degli scenari e terminerebbe con il rientro in una orbita terrestre bassa.
Fonte: https://it.wikipedia.org