Orientarsi nello spazio profondo

L’uomo ha dovuto affrontare per i suoi viaggi di esplorazione attraverso gli oceani problemi non indifferenti per orientarsi ed avere un’idea abbastanza precisa della sua posizione e della destinazione di arrivo. Le tecniche elementari di navigazione già in uso nell’Antichità furono perfezionate, a partire dal XIII secolo, con l’introduzione della bussola e, successivamente, con la preparazione dei portolani, che descrivevano i profili costieri.

Un conto però era affrontare la navigazione in un mare chiuso come il Mediterraneo e un altro era affrontare la sfida degli oceani. A partire dal XV e XVI secolo, grazie soprattutto ai portoghesi, la cartografia nautica ricevette un impulso notevole; furono prodotte tavole affidabili della declinazione solare ( le effemeridi) e fu messo a punto l’astrolabio nautico che, insieme al quadrante, costituiva l’attrezzatura tecnica utilizzata dai grandi esploratori dell’epoca.
Poco dopo la metà del Cinquecento apparve il loch, un solcometro che consentiva di misurare con maggior precisione la velocità della nave. Di particolare importanza fu l’invenzione, intorno al 1730, del sestante, strumento ottico che serviva per misurare l’altezza degli astri sull’orizzonte marino e determinare la latitudine e la longitudine, che sostituì l’astrolabio, fino a quel tempo il principale strumento di navigazione. In epoca moderna poi gli sviluppi tecnologici hanno fatto compiere un salto di qualità ulteriore nella sicurezza e nell’affidabilità dei sistemi di navigazione.

Ma cosa succede nell’esplorazione spaziale? Come fanno le sonde a non perdersi mentre “navigano” nello spazio profondo? Per un veicolo spaziale che si inoltra nello spazio profondo l’unico punto di riferimento è rappresentato dalle stelle che però indicano solo la direzione e non la posizione della sonda.

Al momento l’unico modo per sapere in che posizione si trova una sonda è mantenere un continuo contatto radio con questo veicolo. Questo metodo implica scontare il tempo che queste onde impiegano ad andare da un centro di controllo terrestre alla sonda e ritorno. Per avere un’idea di cosa può voler dire questo scarto temporale, la Voyager 2 che si trova a circa 20 miliardi di chilometri dalla Terra emette un segnale radio che impiega circa 18 ore a giungere al centro di controllo della NASA, a cui seguono altre 18 ore per un’eventuale risposta, totale circa 36 ore complessive per capire se l’informazione è stata ricevuta e i comandi eseguiti oppure no.

Si tratta di un metodo semplice e affidabile che però presenta diversi inconvenienti. Il primo dei quali è legato, come dall’esempio appena citato, alle distanze, più esse crescono e più la comunicazione diventa lunga e non tempestiva. Inoltre paradossalmente non sono molti i centri di controllo in grado di sostenere una comunicazione costante con le sonde spaziali e quelli esistenti come il Deep Space Network della NASA o l’European Space Tracking dell’ESA sono già oberati di lavoro dovendo controllare e comunicare con centinaia di sonde e satelliti.

Come uscire da questa impasse allora? Per localizzare completamente un punto nello spazio tridimensionale occorre misurare con precisione la sua distanza da almeno tre punti di riferimento e le stelle normali non possono essere usate per questo scopo. Le stelle normali no, ma le pulsar invece possono rappresentare un’ottima soluzione a questa necessità.

Una pulsar è una stella di neutroni che nelle prime fasi della sua formazione, in cui ruota molto velocemente, la sua radiazione elettromagnetica in coni ristretti è osservata come impulsi emessi ad intervalli estremamente regolari. Questa grande regolarità le rende perfette per orientarsi nello spazio.

Confrontando i segnali provenienti da un catalogo di pulsar note una sonda sarebbe in grado di conoscere la propria posizione e di navigare in modo del tutto autonomo. Uno studio pubblicato nel 2016 dimostrava che anche una sonda in navigazione nello spazio profondo sarebbe stata in grado di conoscere la propria posizione con una differenza di pochi chilometri.

Negli ultimi anni sia la Cina che gli Stati Uniti hanno testato questa tecnica con buoni risultati. Lo scarto migliore è stato di 5 km rispetto alla posizione esatta, ancora troppi per poter mantenere una rotta precisa, ma abbastanza per poter sperare che in un prossimo futuro il metodo che utilizza le pulsar possa diventare il cuore fondamentale della navigazione indipendente delle sonde spaziali che esploreranno lo spazio profondo.

Fonte:

alcune voci di Wikipedia

Il Nautilus

Le Scienze, luglio 2022, ed. cartacea