AEROSPAZIO

Orbita bassa, interesse alto

Nel campo delle applicazioni spaziali molte aspettative vengono ora riposte nella Very Low Earth Orbit

Non sempre spingersi alla deriva sembra essere la soluzione più adatta quando si parla di applicazioni aerospaziali…si sente spesso parlare di Low Earth Orbit (LEO), ma ora molte aspettative vengono riposte anche nella fascia sottostante, la Very Low Earth Orbit (VLEO), che si riferisce a orbite comprese tra i 250 e i 450 chilometri sopra la superficie terrestre.

A prescindere dalla scarsa attrattiva che può esercitare un’orbita bassa in confronto alle distanze siderali, ripiegare verso quote più limitrofe non deve assolutamente essere visto come segnale di regressione, ad ogni fascia corrispondono infatti vantaggi e conseguenti applicazioni differenti.

In particolare, i vantaggi della VLEO sarebbero così importanti da stimolare moltitudini di imprenditori a porsi questa semplice domanda: quanto possono scendere i satelliti? 

Ron Reedy, CEO di Skeyeon, era ben conscio delle potenzialità del settore, “Ho chiesto al mio team di dimostrare che non avrebbe funzionato, il che è un po’ inusuale per un imprenditore, ma dopo oltre un anno mi hanno riferito che non solo non potevano dimostrare che non avrebbe funzionato, ma che pensavano di aver dimostrato esattamente l’opposto”. Era il 2017 e da allora Skeyeon, con sede a San Diego, ha sviluppato e testato componenti chiave per una costellazione di piccoli satelliti in grado di fornire immagini giornaliere della Terra ad alta risoluzione da un’altitudine di circa 250 chilometri.

Non è stato il solo ad aver aperto le danze a questo prolifico settore…al di sotto dei tradizionali satelliti di imaging terrestre anche Earth Observant e Albedo stanno raccogliendo fondi per inviare satelliti nella VLEO, mentre nel frattempo l’Unione Europea ha dedicato 5,7 milioni di euro a Discoverer, un programma di ricerca di Horizon 2020 volto a una riprogettazione radicale dei satelliti di osservazione della Terra per operazioni a bassa quota.

I satelliti VLEO sono comunque già stati utilizzati in precedenza: GOCE, l’esploratore del campo gravitazionale dell’ESA, è rimasto ad altitudini di 240-280 chilometri dal 2009 al 2013 con l’aiuto di propulsori alimentati a xeno.

Come mai però tutto questo interesse ora? 

Non si può negare che lo charme della VLEO derivi in primis dal suo costo…molto semplicemente il prezzo di un satellite è proporzionale all’altitudine a cui opera, e a basse quote il loro numero può così incrementare.

I pareri sono estremamente positivi anche per i benefici che un tale assetto può comportare…

VLEO consente una risoluzione più nitida e comunicazioni più veloci, inoltre avvicinarsi a un oggetto di interesse riduce il costo del telescopio e viaggiare vicino alle stazioni di terra riduce la domanda di energia radio, tagliando quindi i requisiti per i grandi pannelli solari. Per le missioni di comunicazione, orbite più basse significano trasferimento di dati a latenza inferiore, e se non bastasse, VLEO espone i satelliti a meno radiazioni, aprendo la strada a più componenti per veicoli spaziali standard.

“Niente di tutto questo è facile, ma il rimborso è potenzialmente molto significativo se riesci a mettere in pratica queste idee”, ha affermato Peter Roberts, coordinatore scientifico di Discoverer e responsabile dell’Istituto di ricerca aerospaziale dell’Università di Manchester.

La riduzione dell’altitudine di un satellite da 650 chilometri a 160 chilometri porta a una diminuzione di 64 volte della potenza dei radar, di 16 volte della potenza RF delle comunicazioni e di 4 volte il diametro dell’apertura ottica, il tutto ottenendo le stesse prestazioni, come precisa Thales Alenia Space in un articolo del 2016 sugli Skimsats, piccoli satelliti che l’azienda italo-francese ha progettato per la VLEO.

Dunque, per ottenere risoluzioni più elevate e continuare ad operare nel mondo degli smallsats, l’unica opzione è quella di abbassare la quota.

Ma qui entra in gioco l’ostacolo più grande, in grado di rendere piuttosto ardua questa sfida ingegneristica, la resistenza atmosferica.

Al di sotto di un’altitudine di 450 chilometri, le forze agenti in atmosfera ridurranno la vita di un satellite a meno che la propulsione a bordo o una forza esterna non lo mantengano in quota. (Come i propulsori di bordo che aiutano la Stazione Spaziale Internazionale, che si trova a circa 400 chilometri, a mantenere la sua altitudine). Lo xeno ha anche alimentato i propulsori elettrici che hanno mantenuto il Super Low Altitude Test Satellite (SLATS) della Japan Aerospace Exploration Agency a un’altitudine di circa 200 chilometri dal 2017 al 2019.

Fortunatamente per le piccole aziende focalizzate su VLEO, una varietà di nuovi propulsori elettrici leggeri si stanno diffondendo nei laboratori e in orbita. Inoltre, l’Istituto di sistemi spaziali dell’Università di Stoccarda in Germania ha ricevuto finanziamenti da Discoverer per testare tecnologie chiave per la propulsione elettrica ad aria compressa, un propulsore che trasforma le particelle atmosferiche in propellente per i satelliti VLEO.

La resistenza che agisce nella VLEO comunque limita i detriti e garantisce che i satelliti rientrino rapidamente nell’atmosfera terrestre allo scoccare della loro ora.

A differenza dei satelliti squadrati che popolano le orbite più alte, i satelliti VLEO si affidano dunque a forme cilindriche o appuntite come una punta di freccia per ridurre la resistenza aerodinamica.

(Progetto preliminare di un satellite Skeyeon progettato per ottenere immagini con una risoluzione di un metro per pixel da un’altitudine di 250 chilometri).

Ma non solo frecce, l’Aerospace Corp. vede VLEO come l’ambiente ideale per i DiskSat, satelliti a forma di piatto con propulsori a bordo per mantenerlo in posizione verticale, per i quali prevede di eseguire dimostrazioni sostenute ad altitudini non superiori ai 250 chilometri.

Ultimo problema…qualunque materiale limiti la resistenza, deve anche uscire indenne dagli alti livelli di ossigeno atomico in VLEO. “A un certo punto, l’ossigeno atomico sembrava il problema killer”, ha ammesso Reedy. Tuttavia in seguito Skeyeon ha identificato materiali promettenti che sta ora testando su una piattaforma esterna della ISS.

Anche gli operatori di costellazioni satellitari sono ben consapevoli dei vantaggi di VLEO: Planet ha abbassato l’altitudine di SkySat da 500 chilometri a 450 chilometri nel 2019 per migliorare la risoluzione delle immagini. SpaceX ha rivelato i piani per inviare circa 7.500 satelliti Starlink ad altitudini comprese tra 335 e 346 chilometri nell’ambito di un piano approvato nel 2018 dalla Federal Communications Commission.  

Per le costellazioni future VLEO promette dunque risparmi ingenti: con 200.000-300.000 dollari a satellite, raccogliere immagini globali giornaliere con una risoluzione di un metro per pixel per mezzo di una costellazione di 100 satelliti verrebbe a costare solo 20-30 milioni di dollari…impressionante.

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