MARCO GIANCOLA SATELLITI ARTIFICIALI

MARCO GIANCOLA SATELLITI ARTIFICIALI

Indice Introduzione 1 Storia dei satelliti 2 Il moto di un satellite 2.1 Il problema dei due corpi 2.2 Orbite dei satelliti 2.3 Perturbazioni orbitali 2.4 Manovre orbitali 3 Struttura di un satellite 3.1 Carico utile 3.2 Sistemi di propulsione 3.3 Costo di un satellite 3.4 Termine della vita operativa di un satellite 4 Lanciatori 5 Applicazioni dei satelliti 5.1 Il sistema GPS 5.2 Telerilevamento 5.2.1 Cenni storici 5.2.2 Fenomeni fisici alla base del telerilevamento 5.2.3 Sensori 5.2.4 Le orbite 5.2.5 Trasmissione dei dati 5.2.6 Landsat 5.2.7 QuickBird 5.2.8 ENVISAT 5.2.9 COSMO-SkyMed 5.2.10 Applicazioni del telerilevamento 5.2.10.1 Geologia 5.2.10.2 Agricoltura 5.2.10.3 Meteorologia 5.2.10.4 Oceanografia 5.2.10.5 GIS 5.3 Centrali solari orbitali Bibliografia 2 4 9 9 16 20 23 28 31 34 37 38 41 47 48 52 52 53 54 56 56 57 60 62 64 66 66 67 67 68 70 71 73 1

Introduzione Si può affermare che lo sviluppo della tecnologia satellitare abbia contribuito in modo radicale al cambiamento della nostra vita. Tale tecnologia permette di conoscere e comprendere la realtà in maniera più dettagliata rispetto a quanto era ipotizzabile in tempi passati. Essa è diventata uno strumento indispensabile per la ricerca scientifica, le comunicazioni, la navigazione, le previsioni meteorologiche, i voli spaziali, le operazioni militari e quelle di soccorso in caso di disastri naturali. Lo spazio, oltre a costituire un serbatoio inestimabile per la ricerca scientifica, è l unico mezzo capace di assicurare un flusso ininterrotto di informazioni, ricoprendo un ruolo strategico sia sul piano militare che su quello economico. Attività quotidiane come telefonare, vedere la TV o ascoltare la radio attualmente hanno spesso relazioni dirette o indirette con l'uso di satelliti artificiali. Oggi i satelliti vengo utilizzati per molteplici applicazioni: dalle telecomunicazioni alle missioni spaziali, dalla telemetria alla radiolocalizzazione. Particolarmente rilevante è l utilizzo dei satelliti per la diffusione di segnali televisivi di elevata qualità, direttamente ricevibili da terra con parabole di piccole dimensioni; mentre si va diffondendo anche l utilizzo del satellite per l accesso diretto ad Internet, con elevata velocità di connessione. Un altro esempio eclatante è costituito dal sistema satellitare GPS, il cui sviluppo è ormai così elevato da consentire la localizzazione di un oggetto con precisione dell ordine delle decine di centimetri. È evidente l interesse per l utilizzo di questi sistemi anche per migliorare le comuni esigenze quotidiane, quando si tratta, ad esempio, di seguire il percorso migliore per raggiungere in automobile una prefissata destinazione. L utilizzo dei satelliti artificiali, avviato su larga scala nei primi anni Sessanta, è oggi quanto mai diffuso. A ciò hanno contribuito: 1) i progressi tecnologici che hanno migliorato notevolmente le prestazioni dei satelliti; 2) l utilizzo di veicoli come lo Space Shuttle che ha considerevolmente semplificato le operazioni di lancio ma anche di intervento diretto sul satellite. È piuttosto esigua la quantità di libri in commercio, in lingua italiana, che trattano argomenti quali la tecnologia satellitare e, più in generale, l astronautica. L autore, da sempre oltremodo appassionato di tali argomenti, si augura di aver dato con questo manuale un suo piccolo contributo alla divulgazione scientifica e tecnologica, da sempre bistrattata nel nostro paese. Spera inoltre che il testo sia apprezzato da coloro che condividono la sua passione per simili argomenti e che possa essere di aiuto per quegli studenti che debbano cimentarsi nello studio di tali tematiche. Questo libro, benché sia tutt altro che esaustivo, tratta l argomento ad un livello di approfondimento che richiede il possesso di un minimo di nozioni di matematica e fisica di livello accademico. Alcune parti risulteranno comprensibili solo a coloro che posseggono un adeguato bagaglio culturale di tipo tecnico-scientifico, mentre le altre dovrebbero essere accessibili a chiunque. L autore si augura di aver fornito perlomeno i principali rudimenti della tecnologia satellitare in maniera sufficientemente chiara ed esaustiva, e si scusa anticipatamente per eventuali inesattezze o omissioni. Il primo capitolo illustra, a grandi linee, la storia dei satelliti, elencando principalmente i lanci di alcuni dei satelliti più famosi, ovvero quelle missioni che hanno rappresentato delle tappe fondamentali nella storia dell astronautica. Il secondo capitolo contiene le principali nozioni di quella branca dell astrofisica chiamata meccanica celeste, necessarie a comprendere il moto dei satelliti. Viene illustrato il problema dei due corpi (problema che approssima il moto di un satellite) e vengono esaminate le varie tipologie di orbita e le tecniche di trasferimento orbitale. Il terzo capitolo tratta della struttura dei satelliti, descrivendo i principali componenti di un satellite e le loro funzioni. Il quarto capitolo è dedicato ai lanciatori, con i quali i satelliti vengono spediti nello spazio e posti in orbita. 2

Nel quinto capitolo sono elencate le varie applicazioni della tecnologia satellitare, dedicando spazio soprattutto al telerilevamento. È doveroso da parte dell autore ringraziare la Planetek Italia S.r.l., poiché la maggior parte dei dati, delle foto satellitari e delle illustrazioni presenti nel secondo paragrafo del quinto capitolo proviene dal loro sito web e, più precisamente, dal loro corso di telerilevamento on-line1. Le altre fotografie e immagini contenute nel libro provengono principalmente da Wikimedia Commons2. È inoltre doveroso ringraziare il Professor Filippo Giannetti dell Università di Pisa, per la sua preziosa consulenza. 1 2 http://www.planetek.it/formazione/corsi_on_line/corso_di_telerilevamento_on_line. http://commons.wikimedia.org. 3

1 Storia dei satelliti La possibilità teorica di collocare un corpo in orbita era stata valutata nel 1687 dal matematico e fisico inglese Isaac Newton, come conseguenza dei suoi studi sulla teoria della gravitazione. Ma solo agli inizi del XX secolo gli studi teorici dello scienziato russo Konstantin Tsiolkovsky e gli esperimenti del fisico statunitense Robert Goddard confermarono la possibilità di lanciare un satellite nello spazio mediante un razzo. Il 4 ottobre 1957 l'unione Sovietica lanciò il primo satellite artificiale, lo Sputnik 1 (che in russo significa appunto satellite), una sfera di alluminio di 58 cm di diametro, pesante 83,6 kg. Tale satellite, messo in orbita da un vettore SS 6, trasmetteva ripetutamente un semplice segnale utilizzando il codice Morse. Orbitò compiendo una traiettoria ellittica e percorrendo un giro intorno alla Terra in un ora e 35 minuti. Conteneva strumenti che, per 21 giorni, trasmisero dati riguardo ai raggi cosmici e alle meteoriti e fornirono informazioni sulla densità e la temperatura dei gas che compongono l alta atmosfera. L azione dell atmosfera fece decadere l orbita e il satellite cadde sulla Terra nel gennaio 1958. Il satellite Sputnik 1 ( NSSDC, NASA) Il 3 novembre dello stesso anno, i sovietici misero in orbita lo Sputnik 2 con a bordo la cagnetta siberiana Laika, il primo essere vivente ad andare nello spazio. Lo scopo era quello di studiare a distanza gli effetti del volo orbitale sugli esseri viventi. Per otto giorni il satellite orbitò attorno alla Terra trasmettendo misurazioni dei battiti cardiaci e della temperatura, finché, compiuta la sua missione, Laika venne fatta morire in orbita senza sofferenze. Gli Stati Uniti, amareggiati dai successi dei sovietici, tentarono di lanciare un loro satellite utilizzando il razzo Vanguard, che però esplose al momento del lancio. Fu grazie alla preziosa consulenza dello scienziato tedesco Wernher Von Braun (colui che progettò i missili V2 usati dalla Germania durante la seconda guerra mondiale) che gli Stati Uniti recuperarono in poco tempo il notevole vantaggio acquisito dai sovietici. Il 31 gennaio 1958 da Cape Canaveral il missile a 4 stadi Jupiter C, sviluppato da Von Braun e dai suoi collaboratori, trasportò il satellite Explorer 1 nell'orbita prestabilita intorno alla Terra. Explorer 1 effettuò per 112 giorni precise misure dei raggi cosmici e analizzò i micrometeoriti; fornì inoltre i primi dati da satellite che condussero alla scoperta delle fasce di radiazione di Van Allen. Poco più di un mese dopo (il 5 marzo 1958), fu lanciato anche l Explorer 2, che però non raggiunse l'orbita designata a causa della mancata accensione del quarto stadio del razzo che lo trasportava. Il 17 marzo 1958, gli Stati Uniti posero in orbita il satellite Vanguard 1 che, per oltre 6 anni, trasmise segnali utilizzando solo energia solare. Lo studio preciso delle variazioni della sua traiettoria fornì preziosi dati sulla forma del nostro pianeta. Il Vanguard 1 fu seguito dall'explorer 3, lanciato il 26 marzo 1958, e dallo Sputnik 3 sovietico, lanciato il 15 maggio. Quest'ultimo effettuò misurazioni delle radiazioni solari, dei raggi cosmici e del campo magnetico. 4

Gli Stati Uniti, verso la metà degli anni 50, iniziarono la realizzazione dei primi satelliti da ricognizione strategica Discoverer (il primo dei quali venne lanciato il 28 febbraio 1959), che furono seguiti dai SAMOS (Satellite And Missile Observation System), dai MIDAS (MIssile Defense Alarm System), dai LASP (Low Altitude Surveillance Platform) e dalla serie KH. Nell aprile del 1960 fu lanciato dalla NASA Il primo satellite meteorologico: TIROS 1 (Television InfraRed Observation Satellite), che forniva informazioni sulle condizioni meteorologiche mondiali. In seguito, la NASA continuò a sviluppare nuovi tipi di satelliti sempre più avanzati, siglando accordi con organizzazioni che contribuissero allo studio dei dati ricavati da essi e dai loro sempre più sofisticati strumenti. Al TIROS 1 seguirono altri satelliti simili fino al 1964, quando questa prima serie sperimentale di satelliti meteorologici venne sostituita da una nuova serie molto più sofisticata, il cui nome era Nimbus. Il Nimbus, rispetto ai satelliti TIROS, era in grado di fornire immagini molto più nitide e dettagliate sotto forma di fotografie, e le immagini erano riprese in sequenza e trasmesse in tempo reale lungo le sue orbite e non più registrate a bordo. Nell agosto 1960 i sovietici annunciarono il ritorno dello Sputnik 5, un satellite del peso di 4,5 tonnellate, con a bordo 2 cani e 12 gatti, oltre a vari campioni biologici. Gli americani invece preferivano inviare nello spazio le scimmie, ritenendo le loro reazioni più simili a quelle umane. Il 31 gennaio 1961 lanciarono una capsula Mercury (destinata al lancio del primo astronauta americano) con a bordo uno scimpanzè di nome Ham. Nel 12 aprile 1961, i sovietici inviarono nello spazio il primo essere umano: Yuri Gagarin, a bordo della Vostok 1, lanciata dal cosmodromo di Bajkonur, che compì un giro attorno alla Terra, ad una quota variabile tra 180 e 320 km, in un ora e 48 minuti. Yuri Gagarin, quindi, è ufficialmente il primo uomo ad aver viaggiato nello spazio. Ma, a onor del vero, va detto che accaddero fatti misteriosi ed inquietanti che indurrebbero a pensare che ci siano stati altri cosmonauti russi, sia prima che dopo Gagarin, ad essere andati nello spazio senza però fare ritorno, sui quali l URSS ha sempre mantenuto il più assoluto segreto. Infatti, la sera del 2 febbraio 1961, alcuni radioamatori, fra i quali i fratelli torinesi Cordiglia, captarono il battito cardiaco, il respiro e la flebile voce di una persona agonizzante. Alcuni sostengono che lo Sputnik 7, lanciato proprio in quei giorni, ospitasse segretamente a bordo un cosmonauta che avrebbe dovuto precedere Gagarin, ma che morì tragicamente nello spazio. La drammatica registrazione effettuata dai fratelli Cordiglia e da altri radioamatori non fu la prima nè l ultima. Fonti occidentali dell epoca rivelarono una quindicina di cosmonauti sovietici come morti o dispersi in voli spaziali segreti. Il primo americano a viaggiare nello spazio fu Alan B. Shepard. La sua capsula Mercury Freedom 7 fu lanciata il 5 maggio 1961 in un volo suborbitale sull Atlantico che durò un quarto d ora. Il 6 agosto 1961, la Russia replicò l impresa di Gagarin, migliorando le prestazioni, col lancio della Vostok 2 con a bordo German Titov. Il veicolo percorse in 24 ore 17 orbite intorno alla Terra. Il 20 febbraio 1962, la capsula Friendship 7, sollevata da un razzo Atlas, compì il primo volo orbitale con a bordo il tenente-colonnello dei marines John Glenn, il quale compì 3 giri attorno alla Terra per una durata complessiva di 4 ore e mezza. Quando il satellite Telstar, messo in orbita il 10 luglio 1962 da Cape Canaveral, mostrò agli americani, in diretta dalla Francia, il volto di un noto cantante italo-francese, rilanciando attraverso l Atlantico le immagini della televisione, l opinione pubblica toccò con mano l utilità pratica della conquista dello spazio. 5