1.

Introduzione

Satellite artificiale Qualunque oggetto posto in orbita intorno alla Terra o a un altro pianeta, per scopi scientifici o tecnologici. Il lancio del primo satellite artificiale – lo Sputnik 1, di fabbricazione sovietica – risale al 4 ottobre 1957; da allora sono stati messi in orbita migliaia di satelliti artificiali di vario tipo, per lo svolgimento di funzioni di primaria importanza nei moderni sistemi di telecomunicazione, navigazione e ricerca scientifica.

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Tipi di satelliti

Esistono diversi tipi di satelliti artificiali, adibiti a funzioni differenti. I satelliti per telecomunicazioni, tra i primi a essere messi in orbita dopo il lancio dello Sputnik 1, vengono usati nella telefonia e per la trasmissione di dati e immagini televisive. I satelliti meteorologici raccolgono costantemente immagini della Terra nel visibile e nell’infrarosso e inviano i dati ottenuti alle stazioni al suolo, dove vengono interpretati e tradotti in termini di previsioni del tempo.

I satelliti per la navigazione permettono di rilevare la propria posizione sulla superficie terrestre con un margine di errore inferiore ai 10 m, di localizzare gli iceberg e di mappare le correnti oceaniche; un esempio di questo tipo di satelliti è il sistema SARSAT (Search and Rescue Satellite System, Sistema satellitare di ricerca e salvataggio), che raccoglie le richieste di soccorso di navi e aerei per mezzo di una rete formata da tre satelliti statunitensi (NOAA-9, 10 e 11) e da due satelliti lanciati dall’ex Unione Sovietica.

In campo scientifico e astronomico, i satelliti artificiali fungono da vettori di rivelatori, telescopi e altri strumenti capaci di effettuare osservazioni e misure non realizzabili da Terra; a una certa quota al di sopra della superficie terrestre, infatti, il disturbo prodotto dall’atmosfera è ridotto al minimo, e le radiazioni provenienti dallo spazio possono essere rivelate con maggiore efficienza. Con strumenti posti in orbita intorno alla Terra, ad esempio, sono state scoperte sorgenti di raggi X e di raggi gamma prima sconosciute, e sono stati indicati oggetti celesti che emettono nella regione degli ultravioletti. Nel 1983, con il satellite per astronomia infrarossa IRAS (Infra-Red Astronomical Satellite), gli astronomi hanno effettuato la prima osservazione dettagliata del nucleo della nostra galassia.

3.

Tipi di orbite

Le caratteristiche distintive dell’orbita di un satellite artificiale sono la sua forma (circolare o ellittica), la quota, il verso di percorrenza (orario o antiorario) e l’inclinazione rispetto al piano dell’equatore terrestre. Il principale criterio di classificazione per le orbite è la quota: si distinguono così orbite basse (LEO, Low Earth Orbit), orbite medie (MEO, Medium Earth Orbit) e orbite geostazionarie (GEO, Geostationary Equatorial Orbit) – le più alte.

Le orbite LEO sono poste a un’altitudine inferiore a 2000 km; a differenza di quelle più alte, hanno il vantaggio di non attraversare le fasce di Van Allen (le zone dello spazio intorno alla Terra caratterizzate da un’alta concentrazione di pericolose particelle cariche ad alta energia), di consentire trasmissioni più rapide ed efficienti da e per la Terra e di avere costi di lancio più contenuti. Le orbite MEO hanno un’altitudine compresa tra i 2000 e i 10.000 km; sono utilizzate perlopiù da satelliti per telecomunicazioni e navigazione, come quelli del sistema di Global Positioning System NAVSTAR.

Le orbite geostazionarie, infine, hanno una quota fissa, pari a 5,6 volte il raggio della Terra, vale a dire a circa 35.800 km. Questa quota è l’unica a cui un satellite può ruotare con la stessa velocità angolare della Terra, e quindi percorrere un giro completo nello stesso periodo di tempo in cui la Terra compie una rotazione intorno al proprio asse; ciò significa che la posizione relativa del satellite rispetto alla superficie del pianeta rimane costante. Operano in orbita geostazionaria i satelliti televisivi e alcuni satelliti militari e meteorologici.

Altri tipi di orbite sono definiti in base all’inclinazione rispetto al piano dell’equatore terrestre. Tra queste, le orbite polari si trovano ad angolo retto rispetto a esso, a quote variabili, ma nella maggior parte dei casi inferiori a 2000 km (LEO). Ad esempio, il satellite che monitora la situazione del buco nello strato di ozono al di sopra dell’Antartide si muove appunto su un’orbita polare.

Si dice infine eliosincrona un’orbita che comporti il passaggio del satellite a una data latitudine sempre alla stessa ora; in questo caso, la congiungente Terra-Sole forma un angolo costante con il piano orbitale, il verso di percorrenza è quello orario, la quota è bassa e l’angolo rispetto all’equatore terrestre di 98°. Le orbite eliosincrone sono utili, ad esempio, per satelliti che debbano fotografare quotidianamente determinate zone della Terra, sempre nelle stesse condizioni di illuminazione.

4.

Messa in orbita

In origine, la messa in orbita dei satelliti artificiali avveniva per mezzo di razzi a stadi multipli, che venivano persi a ogni lancio. Il primo stadio forniva la spinta iniziale dalla base di lancio fino a una certa quota; poi, una volta esaurito il carburante, si staccava e ricadeva a Terra, mentre entrava in funzione il secondo stadio; esaurito anche il carburante del secondo stadio, entrava in funzione il terzo, che in genere imprimeva al satellite la traiettoria circolare definitiva. Ognuno dei motori entrava in funzione in un momento ben preciso e rimaneva attivo per un lasso di tempo dato, che serviva per raggiungere la quota e la velocità desiderate.

Per ridurre i costi di lancio, all’inizio degli anni Ottanta la National Aeronautics and Space Administration (NASA) sviluppò una navetta spaziale pilotata e riutilizzabile, lo space shuttle, capace di trasportare i satelliti nel vano di carico e porli in orbita, di recuperare i satelliti in avaria e portarli a Terra per eventuali riparazioni prima di un nuovo lancio. Dopo la NASA, anche l’ESA (l’Agenzia spaziale europea) ha realizzato un razzo vettore riutilizzabile, chiamato Ariane.

5.

Mantenimento in orbita

I satelliti artificiali producono l’energia di cui necessitano per mezzo di celle solari, di batterie ricaricabili con celle solari e, in alcuni casi, di generatori nucleari. Il telescopio spaziale Hubble, ad esempio, è dotato di una coppia di pannelli solari della superficie totale di circa 290 m², capaci di fornire una potenza di 5500 watt; nei satelliti del Global Positioning System, più piccoli, la superficie dei pannelli solari è di circa 4,6 m² e la potenza fornita di 700 watt. In genere i pannelli sono ripiegati durante il lancio e vengono dispiegati soltanto una volta raggiunta l’orbita definitiva.

Per raccogliere efficientemente l’energia solare necessaria al proprio funzionamento e per inviare a Terra i dati attraverso le antenne, un satellite deve mantenere un’orientazione ben determinata rispetto al Sole e alla Terra. A tale scopo è dotato di una serie di dispositivi, quali piccoli motori, ruote giroscopiche e magneti, che mantengono l’inclinazione ideale; i magneti, in particolare, conservano la posizione del satellite interagendo con il campo magnetico terrestre. Altri accessori prevengono l’usura dovuta al calore sviluppato per attrito con gli strati alti dell’atmosfera e i danni dovuti alle radiazioni ionizzanti e all’impatto di micrometeoriti.

6.

Decadimento dell’orbita

Pur essendo molto rarefatta, l’atmosfera presente alle quote a cui orbitano i satelliti artificiali oppone una certa resistenza al loro moto; a lungo andare, questi dissipano energia per attrito, rallentando e perdendo quota. La durata di un satellite in orbita dipende dalle sue caratteristiche fisiche (forma, dimensioni, massa), e dall’altezza e orientazione dell’orbita. In generale, un satellite leggero ma di grosse dimensioni perde quota molto più facilmente di un satellite più compatto, in orbita alla stessa altitudine; il satellite più grande, infatti, ha una superficie più estesa che sviluppa un attrito maggiore con l’atmosfera.

Per quanto riguarda l’orbita, e in particolare l’altitudine, un satellite installato a 200 km al di sopra della superficie terrestre, dove l’atmosfera è ancora relativamente densa, può mantenere la quota per un periodo limitato, mediamente compreso tra una settimana e tre mesi; a 300 km lo stesso satellite può rimanere in orbita fino a due anni; al di sopra dei 1000 km, dove l’atmosfera è estremamente rarefatta, anche migliaia di anni.

Un satellite può smettere di essere operativo per problemi di strumentazione o per collassamento dell’orbita. Nel primo caso, può essere abbandonato a se stesso e continuare a percorrere la sua traiettoria intorno alla Terra indefinitamente, andando ad aumentare il numero dei residui inutilizzati che affollano lo spazio; altrimenti, nel caso possa essere riparato e riutilizzato, viene ricondotto a Terra da appositi motori. Nel secondo caso – qualora perda quota a causa dell’attrito con l’aria – è destinato a bruciare nell’impatto con gli strati più bassi e più densi dell’atmosfera.