Sono andato alla ricerca della sonda ExoMars e ho trovato la verità sulle autostrade spaziali

L'astronave ExoMars dell'Agenzia Spaziale Europea sta attualmente percorrendo un'autostrada celeste, per otto giorni nel suo viaggio di sette mesi verso il Pianeta Rosso. Sappiamo che atterrerà su Marte il 19 ottobre, ma dove sarà tra un mese? O il quattro di luglio? La sua posizione sembrava calcolabile per me.Dato il tempo di accelerazione della nave spaziale, la velocità di crociera e la distanza da Marte al momento del lancio, ho pensato che potevo scricchiolare alcuni numeri. Questo era - lo so ora - pura hybris. La scienza missilistica è una pietra di paragone culturale, persino un cliché, per una ragione.

L'ho trovato mentre cercavo di trovare un veicolo spaziale.

Le autostrade spaziali non sono come le strade terrestri, Michael Khan, Ph.D., un esperto di meccanica celeste presso l'ufficio di analisi delle missioni dell'ESA, ha spiegato quando ho chiesto il suo consiglio per localizzare ExoMars. Se c'è una cosa da tenere a mente, dice, è questa: non ci sono linee rette nello spazio. In una e-mail magnificamente scritta, ha spiegato perché dovremo imparare tutti a guidare su una curva - e perché il futuro dei viaggi spaziali è infinitamente più complicato di quanto pensiamo.

Piuttosto che tentare di riassumere la sua spiegazione, la incollo qui di seguito perché è bellissima.

Ho paura della meccanica celeste, che è la scienza alla base del calcolo delle traiettorie di tutte le orbite nello spazio (naturale o artificiale), funziona un po 'diversamente da ciò che sembra assumere.

Un trasferimento interplanetario dalla Terra a un altro pianeta (in questo caso, Marte) non è una questione di volare su una linea retta con una determinata velocità di crociera come un aereo sulla Terra, o come una nave che attraversa l'oceano, con alcuni cambiamenti di direzione a determinati waypoint. Questo non è il modo in cui funziona nel sistema solare. Poiché non funziona in questo modo, non penso che sarà semplice (o addirittura possibile) fare calcoli semplici, approssimativi e pronti su dove ExoMars sarà a che ora.

Fondamentalmente, le leggi della natura che governano il volo di un oggetto attraverso lo spazio sono state da Isaac Newton e Johannes Kepler secoli fa. Mi limiterò a semplificare un po ': Terra e Marte si muovono su orbite più o meno circolari (per Marte, questo non è del tutto vero, ma funziona per i principianti). Ora abbiamo l'orbita terrestre, un ampio cerchio attorno al Sole e l'orbita di Marte, un cerchio ancora più ampio che ha anche il Sole nel suo centro.

La traiettoria di trasferimento seguita da ExoMars è un'ellisse. Dove questa ellisse è più vicina al Sole, sfiora l'orbita terrestre. Dove è il più lontano dal Sub, sfiora l'orbita di Marte. L'astronave vola da questo punto più basso al punto più lontano. Raggiunse l'ellisse dall'enorme spinta conferitagli dal razzo M del protone utilizzato per lanciare ExoMars, lanciandolo così in alto e in fretta che la navicella in realtà lascia la gravità terrestre con la giusta velocità e direzione per soddisfare l'ellisse di trasferimento richiesta verso Marte. A questo punto (Earth escape), ExoMars era un po 'più veloce della Terra sulla sua orbita attorno al Sole.

Su questa ellisse di trasferimento, la velocità di ExoMars diminuirà continuamente. Per capire perché è così, immagina un pendolo, mentre il pendolo si alza, si muove più lentamente e più lentamente. Questo perché ci sono due tipi di energia: energia potenziale (= altezza dell'energia) ed energia cinetica (= energia del movimento). L'orbita del veicolo spaziale ha una certa energia totale. Questo è stato impartito dal programma di avvio. Questa energia non aumenta. È come una paghetta o uno stipendio, dobbiamo solo farlo durare.

Se il razzo non avesse dato abbastanza energia, l'orbita di ExoMars non avrebbe raggiunto l'orbita di Marte. Al contrario, se il razzo avesse trasmesso troppa energia, l'orbita del veicolo spaziale sarebbe andata ben oltre l'orbita di Marte. Quindi volevamo (e ottenevamo) esattamente la giusta quantità di energia, non troppo poco, ma non troppo. Questo è diverso da una paghetta o da uno stipendio, dove troppo è decisamente meglio che troppo poco.

Ora, sul trasferimento ellittico, la navicella spaziale si allontana dal Sole verso l'orbita di Marte e il Sole si sta aggrappando alla navicella con la sua gravità. Così, mentre ExoMars sta salendo, la sua altezza aumenta. Pertanto, l'energia del movimento deve diminuire. L'energia totale rimane la stessa. Quindi, durante il suo volo su Marte, ExoMars diventa sempre più lento.

Per calcolare il trasferimento, l'unica cosa che deve assolutamente prendere in considerazione è l'attrazione gravitazionale attraverso il sole. Ci sono anche altri effetti come la piccolissima pressione della luce sugli array solari e la gravità dei pianeti nel sistema solare, e ovviamente dobbiamo tener conto di ogni volta che usiamo i motori a razzo a bordo di ExoMars per cambiare l'orbita. Ma tutto ciò ha un effetto molto minore rispetto alla gravità solare.

In sostanza, utilizziamo un computer per calcolare la traiettoria della nave spaziale tenendo conto di tutti i fattori che influenzano la traiettoria, e possiamo anche misurare dove si trova la navicella e quanto velocemente viaggia dal momento in cui i segnali impiegano per viaggiare dalla Terra alla veicolo spaziale e ritorno e dal modo in cui la frequenza del segnale cambia nel tempo.

In una e-mail successiva, ha aggiunto:

La cosa più importante che vedi è che la traiettoria di ExoMars, come tutte le traiettorie nello spazio, è chiaramente curvata. Non ci sono linee rette nello spazio. Una volta che hai corpi che hanno massa, come stelle e pianeti, hai gravità e, in presenza di gravità, tutto volerà sulle curve. Le curve sono naturali, le linee rette non lo sono. La distanza percorsa seguendo la linea rossa curva dalla Terra verso Marte è di circa 500 milioni di chilometri, per metterla in prospettiva. Mezzo miliardo di chilometri