Juice: perché è necessario così tanto tempo

Linee rette nello spazio? Un enorme spreco di energia

Seguendo il movimento di pianeti, lune, stelle e galassie, è possibile notare che sono sempre in movimento intorno a un altro oggetto. Quando una missione viene lanciata, non parte da una Terra immobile, ma da un pianeta che sfreccia a circa 30 km/s intorno al Sole.

Per questo motivo, un veicolo spaziale lanciato dalla Terra possiede già una grande quantità di "energia orbitale", ovvero l'unica unità di misura che conta per determinare le dimensioni di un'orbita intorno a un corpo centrale. Subito dopo il lancio, un veicolo spaziale si trova più o meno nella stessa orbita del nostro pianeta intorno al Sole.

Per svincolarsi da questa orbita e volare seguendo la linea retta più breve possibile dalla Terra a Giove, sarebbe necessario un grande razzo e molto carburante, un'impresa tuttavia non impossibile. Il problema ulteriore è che a quel punto servirebbe ancora più carburante per frenare ed entrare in orbita intorno a Giove, evitando di superarlo.

Puntare allo spazio vuoto

Giove e Terra sono sempre in movimento l'uno rispetto all'altra. Quando si trovano più distanti tra loro, ai lati opposti del Sole, sono separati da 968 milioni di chilometri. La distanza più breve tra i due pianeti è quella che intercorre tra Terra e Giove quando si trovano dalla stessa parte del Sole, ovvero poco meno di 600 milioni di chilometri. Ma si trovano in questa posizione solo per un istante prima che la distanza ritorni a crescere, senza mai rimanere costante.

I pianeti si muovono tutti a velocità diverse nelle loro orbite intorno al Sole. Si immagini di lanciare una palla verso un bersaglio in movimento da un veicolo in movimento. Gli ingegneri devono calcolare il tempo ideale per compiere il salto su un percorso circolare dall'orbita terrestre per raggiungere il punto in cui si troverà Giove al momento dell'arrivo del veicolo spaziale, non il punto in cui si trova quando il veicolo spaziale lascia la Terra.

Quindi, supponendo di avere il lanciatore più potente disponibile e di effettuare il lancio sulla traiettoria più breve al momento giusto, quando i pianeti sono allineati correttamente, quanto tempo ci vorrebbe?

Le prime missioni spaziali, come le sonde Voyager e Pioneer, hanno compiuto il viaggio in meno di due anni, mentre la missione New Horizons è stata la più veloce a raggiungere Giove. Lanciato il 19 gennaio 2006, New Horizons ha raggiunto il punto più vicino a Giove il 28 febbraio 2007, impiegando poco più di un anno per giungere al pianeta. Tutte queste missioni hanno proseguito oltre e costituiscono esempi eccellenti per determinare il tempo necessario per un sorvolo di Giove nell'ambito di una rotta verso un'altra destinazione.

Più lunga è la permanenza, più lento è l'avvicinamento

Per entrare in orbita intorno all'enorme pianeta e studiarlo da tutti i lati e, nel corso del tempo, magari anche per entrare in orbita intorno a una delle sue lune (una novità introdotta con Juice), è necessario perdere un po' di energia. Questa "decelerazione" richiederà molto carburante per eseguire una grande manovra di inserimento in orbita. Se non si desidera effettuare il lancio con grandi quantità di carburante, è necessario scegliere una rotta meno diretta, che, nel caso di una missione come Juice, prevede tempi di trasferimento di 2,5 anni.

In questo caso, la massa del veicolo spaziale rappresenta un fattore determinante per stabilire il tempo necessario per raggiungere qualsiasi destinazione. Gli ingegneri devono controllare la massa del veicolo spaziale, bilanciando la quantità di carburante con la dotazione di strumenti che è necessario trasportare per portare a termine la missione. Più grande è la massa del veicolo spaziale, più carburante dovrà trasportare, il che fa aumentare il suo peso e rende più complesso il lancio.

Ed è qui che entrano in gioco le prestazioni del razzo di lancio. Il veicolo spaziale deve essere lanciato con una velocità sufficiente per sottrarlo alla gravità della Terra e spingerlo verso il Sistema Solare esterno. Migliore è la spinta, più semplice sarà il viaggio.

Juice è una delle sonde interplanetarie più pesanti mai lanciate, con un peso di poco superiore ai 6.000 kg e la più vasta dotazione di strumentazione scientifica mai trasportata su Giove. Neanche l'enorme spinta del razzo Ariane 5 per il trasporto pesante è stata sufficiente per lanciare Juice direttamente a destinazione nel giro di un paio d'anni.

Pertanto, in missioni quali Juice ed Europa Clipper, o Galileo e Juno in passato, è necessario ricorrere a manovre che sfruttano la "fionda gravitazionale" o il "flyby" per guadagnare ulteriore velocità. Più potente è il razzo, meno tempo durerà il trasferimento.

Scambio di energia con il Sistema Solare

Plutone, ai confini del Sistema Solare, percorre un'orbita molto più ampia di Mercurio, il pianeta più interno. Sebbene Plutone si muova più lentamente rispetto al Sole, la sua energia orbitale è di gran lunga superiore a quella di Mercurio.

Per portare un veicolo spaziale in orbita intorno a un altro pianeta, è necessario raggiungere la sua energia orbitale. Quando è stato lanciato BepiColombo, la sua energia orbitale era pari a quella della Terra. Doveva perdere energia per avvicinarsi al centro del Sistema Solare e per farlo ha rilasciato l'energia orbitale in eccesso volando in prossimità dei pianeti vicini.

Lo stesso vale, al contrario, per viaggiare verso il Sistema Solare esterno. Per raggiungere un'orbita più estesa e più lontana dal Sole, Juice sta seguendo un percorso che gli permetterà di sottrarre energia orbitale a Terra, Venere e Marte.

A seconda della direzione di moto relativa del pianeta e del veicolo spaziale, la fionda gravitazionale può accelerare, rallentare o cambiare la direzione della missione. (Il veicolo spaziale devia anche il pianeta, ma in misura così esigua da risultare insignificante. Tuttavia, la terza legge del moto di Newton viene preservata: "ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria").

Juice utilizzerà una serie di flyby della Terra, del sistema Terra-Luna e di Venere per tracciare la rotta per il suo appuntamento del luglio 2031 con il sistema gioviano.

In orbita sul filo del rasoio

La parte più impegnativa per il team di controllo del volo dell'ESA è rappresentata dall'arrivo di Juice presso Giove nel 2031 e durante il suo periplo del sistema planetario di Giove.

La complessa traiettoria di Juice prevede molteplici fionde gravitazionali sulla rotta verso Giove, tra cui il primo sorvolo Luna-Terra della storia, e, una volta raggiunto il sistema planetario, ben 35 sorvoli ravvicinati delle sue lune galileiane Europa, Ganimede e Callisto. La tappa finale sarà Ganimede, cosa che farà di Juice il primo veicolo spaziale in orbita attorno a una luna diversa dalla nostra.

La manovra più importante che i team del controllo missione dell'ESA in Germania supervisioneranno sarà il rallentamento di Juice di circa 1 km/s, dopo sole 13 ore da una fionda gravitazionale di Ganimede, e il successivo passaggio al sistema di Giove, con l'inserimento del veicolo spaziale in orbita intorno al gigante gassoso.

Entrare in orbita intorno a un altro corpo celeste è un'impresa ardua. Un veicolo spaziale deve avvicinarsi con la velocità perfetta, da un'angolazione precisa, per poi eseguire una grande manovra essenziale al momento giusto, in una direzione specifica e con le giuste dimensioni.

Un avvicinamento troppo veloce o troppo lento, un'angolazione sbagliata, una manovra maldestra o una direzione errata bastano per perdersi nello spazio. Oppure il veicolo potrebbe essere abbastanza fuori rotta da richiedere molto carburante, magari troppo, per correggere la traiettoria. Il che comprometterebbe il completamento della missione.

Juice si avvicinerà alle lune di Giove, sfruttando il loro campo gravitazionale, per osservare questi ambienti come mai prima d'ora. C'è forse vita sotto gli oceani congelati di Ganimede, Callisto o Europa? Cosa possiamo apprendere sulla formazione dei pianeti e delle lune nell'Universo? Attraverso le meraviglie della dinamica di volo, scambiando energia con l'Universo, lo scopriremo presto, o quasi.

Per aggiornamenti sul progresso della missione Juice è possibile seguire @ESAJuiceBar su Twitter/X, mentre su @ESAJuice troverete tutte le ultime informazioni sulla missione e su @esaoperations tutte le notizie dal Mission Control Center dell'ESA.