ExoMars: TGO si tuffa nell'atmosfera marziana

La sonda europea Trace Gas Orbiter della missione ExoMars ha iniziato a tuffarsi nell'atmosfera marziana per abbassare la propria orbita usando la minima quantità di carburante possibile. Nonostante la campagna di aerofrenaggio inizi ufficialmente il 6 Aprile, la sonda ha già eseguito due manovre che hanno abbassato il suo pericentro, portandolo all'interno dell'atmosfera che avvolge il Pianeta Rosso.

Sette manovre

Da qui al 6 Aprile, il TGO eseguirà sette manovre per dare inizio alla fase di aerofrenaggio. La prima manovra, eseguita alle 12:56 del 15 Marzo, ha rallentato la sonda di circa 10,8 chilometri orari e abbassato il suo pericentro da 230 a soli 150 chilometri di quota, portandolo a ridosso del confine tra l'atmosfera marziana e lo spazio esterno. Il 16 e il 17 Marzo, la sonda ha completato due passaggi attraverso le propaggini esterne dell'atmosfera del Pianeta Rosso. L'attrito dei gas incontrati dal TGO durante i due passaggi ha rallentato la sonda di circa 11 e 10 millimetri al secondo (circa 0,04 chilometri orari), rispettivamente, senza consumare alcuna goccia di carburante.

Una tipica orbita durante la fase di aerofrenaggio. Credit: ESA

Avendo ricevuto risposte positive da tutti gli apparati del TGO, gli ingegneri hanno dato il via libera alla seconda manovra. Questa, avvenuta alle 12:45 del 18 Marzo, ha diminuito la velocità orbitale del TGO di circa 2,1 chilometri orari e portato il pericentro circa 140 chilometri al di sopra della superficie marziana. Così facendo, a ogni pericentro la sonda incontrerà regioni atmosferiche ancor più dense.

Qualora tutto dovesse andare come previsto, il TGO eseguirà una terza manovra il 21 Marzo, portando il punto più basso della propria orbita a 130 chilometri di quota. Altre quattro manovre, previste per il 24 e il 27 Marzo e il 1° e il 6 Aprile, abbasseranno gradualmente il pericentro fino a 113 chilometri. A quel punto, la campagna di aerofrenaggio vera e propria potrà finalmente entrare nel vivo.

Un anno di aerofrenaggio
Il 6 Aprile, il TGO inaugurerà la propria campagna di aerofrenaggio. Nell'arco di un intero anno, la sonda si tufferà ripetutamente attraverso l'atmosfera marziana, usando l'attrito del gas per plasmare la propria traiettoria. Dall'orbita iniziale, tra 33 mila e 200 chilometri di quota e 24 ore di periodo, la sonda passerà a un'orbita circolare a 400 chilometri di quota e con un periodo di circa due ore.

L'evoluzione orbitale dell'apoapside (l'altitudine massima) del TGO. Credit: ESA

L'ostacolo più grande è senza dubbio l'imprevedibile natura dell'atmosfera marziana, che può improvvisamente gonfiarsi in seguito a tempeste solari e fenomeni meteorologici. Normalmente, però, la densità a 113 chilometri di altitudine è di appena cento nanogrammi per metro cubo.
Nonostante la bassa densità, la sonda dovrà affrontare condizioni molto rischiose. I pannelli solari sono progettati per operare fino a temperature di 145 gradi centigradi; secondo i modelli atmosferici, la temperatura del TGO non dovrebbe superare i 70 gradi. Altri limiti includono un flusso massimo di 1120 watt per metro quadro, un carico termico massimo di 100 mila joules per metro quadro e una pressione dinamica massima di 0,175 newton per metro quadro. Tuttavia, il TGO dovrebbe essere in grado di sopravvivere fino a valori pari a 2,5 volte il limite imposto dagli ingegneri. Qualora uno o più di questi limiti dovesse essere superato, il TGO è progettato in modo da accendere autonomamente il suo motore all'apocentro successivo e portarsi a una distanza di sicurezza dall'atmosfera marziana.

Gli ultimi ostacoli
Tra fine Giugno e fine Agosto 2017, il TGO rialzerà momentaneamente il proprio pericentro a oltre 150 chilometri di altitudine e metterà in pausa la campagna di aerofrenaggio, vista la congiunzione tra il Sole e Marte. Durante questo periodo, Marte transiterà alle spalle del Sole dal punto di vista della Terra, rendendo quasi impossibili le comunicazioni con la sonda. A fine Agosto, quando Marte si sarà portato a più di 10 gradi dal Sole, la campagna di aerofrenaggio riprenderà.

L'evoluzione dell'altitudine del pericentro del TGO. Al centro, la pausa nella fase di aerofrenaggio dovuta alla congiunzione di Marte. Credit: ESA

Il TGO raggiungerà un'orbita tra 120 e 400 chilometri di quota nella prima metà del 2018. Poi, tramite una o due manovre, la sonda alzerà il proprio pericentro, in modo da spostarsi su un'orbita circolare a 400 chilometri di altitudine.

L'assetto del TGO durante un passaggio atmosferico. Nell'immagine, la sonda viaggia da destra a sinistra. Credit: ESA

Durante ciascun passaggio attraverso l'atmosfera marziana, la sonda volerà in un particolare assetto che pone il motore lungo la direzione di volo, sul 'fronte' della sonda. Tuttavia, in questa configurazione l'antenna non risulta puntata in direzione della Terra; perciò, a ogni rivoluzione il TGO dovrà ruotare su di sé per comunicare con la Terra e poi raggiungere l'assetto di ingresso atmosferico. Verso la fine della campagna, le orbite saranno così corte che il periodo orbitale del TGO si sarà abbassato da 24 a poche ore, il che renderà difficile eseguire in tempo tutte queste rotazioni. Una soluzione potrebbe consistere nel ruotare l'antenna ad alto guadagno, ma gli ingegneri non hanno ancora finalizzato un piano d'azione.
In totale, la campagna di aerofrenaggio impartirà alla sonda una variazione di velocità che avrebbe altrimenti richiesto almeno 600 chilogrammi di carburante.