La tecnologia del satellite a filo nasce negli anni Sessanta e oggi è tutt'altro che sepolta, anche se non è certamente un settore che conquista la prima pagina dei quotidiani. Nonostante l'apparente fallimento, infatti, la missione dello Shuttle Columbia (1996), a cui hanno preso parte gli astronauti Umberto Guidoni e Maurizio Cheli, ha avuto un pieno successo scientifico, dimostrando che con questa tecnologia si possono ottenere elevate potenze elettriche a spese del campo gravitazionale terrestre e dell'energia cinetica del satellite orbitante. Ma prima di addentrarci sugli sviluppi attuali, cerchiamo di capire che cosa è un satellite a filo, come funziona e perché mai qualcuno dovrebbe trovarlo interessante.

Quando un conduttore si muove all'interno di un campo magnetico gli elettroni di conduzione, che nei metalli si muovono con una certa libertà, acquisiscono una velocità di deriva verso una direzione determinata dalla direzione del campo magnetico e dalla velocità di spostamento del conduttore stesso. Per fare un esempio, nel caso di un filo elettrico che si sposta con velocità perpendicolare al campo magnetico, si genera un eccesso di cariche negative a un estremo del filo e un eccesso di cariche positive all'estremo opposto. In altri termini, il semplice movimento del filo genera una differenza di potenziale. In conclusione: un filo conduttore in modo all'interno di un campo magnetico si comporta come una batteria. Nello spazio, un filo conduttore che orbita intorno alla Terra si muove attraverso le linee del campo magnetico terrestre, generando dunque una differenza di potenziale.

Ma è possibile sfruttare questa differenza di potenziale? Si tratta di trovare un modo per chiudere il circuito. A Terra la risposta è banale: per esempio la dinamo che alimenta il fanale di una bicicletta si basa, in ultima analisi, su un meccanismo di questo tipo. E nello spazio? Come è possibile chiudere il circuito? La cosa sorprendente del meccanismo è proprio questa: nello spazio a chiudere il circuito ci pensa… lo spazio stesso. Al di sopra degli strati più basi dell'atmosfera, infatti, a quote di circa 80-1000 km, lo spazio è popolato da plasma costituito da cariche elettriche negative (elettroni) e positive (ioni, da cui il nome ionosfera), che lo rendono capace di trasmettere correnti elettriche. Se dotiamo le estremità del conduttore di un meccanismo (plasma contactor) che da una estremità del filo raccoglie gli elettroni del plasma e li espelle dall'altro, siamo in grado di completare il circuito.

L'idea alla base della tecnologia del satellite al guinzaglio nasce da Giuseppe Bepi Colombo, geniale ingegnere italiano. I primi esperimenti risalgono agli anni Sessanta, quando le navicelle abitate Gemini 11 e Gemini 12 furono legate all'ultimo stadio del lanciatore proprio per studiare il meccanismo. Dopo una pausa di oltre venti anni, nel 1989 Canada e Giappone lanciarono una serie di razzi che srotolarono fili di circa 1 kilometro.

Il vero e proprio salto di qualità sui satelliti a filo fu il tentativo eseguito nel luglio 1992 con la missione dello Space Shuttle Atlantis, a bordo della quale si trovava l'astronauta italiano Franco Malerba. Com'è noto uno degli obiettivi della missione era di liberare nello spazio il satellite TSS-1, dell'Agenzia Spaziale Italiana (ASI). Con la sua massa di 550 kg, il TSS-1 doveva rimanere agganciato all'Atlantis con un filo conduttore lungo 20 kilometri, ma un problema al sistema di rilascio costrinse gli astronauti ad abbandonare l'impresa dopo appena 260 metri e a recuperare il satellite. Per inciso, le analisi successive rivelarono senza ombra di dubbio che il problema nel rilascio del satellite fu dovuto a un incidente banale. Come ricorda lo stesso Malerba: “Può sembrare inverosimile ma è proprio così: un bullone di fissaggio del carico alla stiva dello shuttle era troppo lungo e protrudeva all'interno del meccanismo di srotolamento del cavo, interferendo con la spoletta che, scorrendo avanti e indietro, deve accompagnare e distribuire ordinatamente il cavo sul rullo.” (La stampa – Tuttoscienze – 17 luglio 2002).

Sebbene l'impresa tentata con la missione Atlantis sia fallita per un problema banale, è opinione condivisa che l'esperimento tentato fosse di enorme complessità tecnica. Negli anni successivi, dunque, la NASA fece un passo indietro, utilizzando sistemi di gran lunga più semplici: nel '93 SEDS-1, un mini-satellite di 25 kg fu liberato dall'ultimo stadio di un lanciatore Delta II, e rimase agganciato in orbita a una filo non-conduttore di 25 kilometri. E l'anno dopo l'esperimento PMG (Plasma Motor Generator) utilizzando la stessa tecnica fu il primo a dimostrare che il sistema del satellite a filo poteva generare potenza elettrica. Nel caso di PMG si trattava di un filo conduttore di appena 500 metri, ma il principio era stato dimostrato. Dopo un secondo esperimento con un filo non conduttore di 20 kilometri (SEDS-2), che ottenne un successo parziale a causa della rottura del filo, la NASA decise di dare una seconda chance al satellite a filo italiano con una nuova missione Shuttle.

Nel febbraio 1996, gli astronauti italiani Maurizio Cheli e Umberto Guidoni accompagnarono il satellite in orbita sulla missione STS 75 dello shuttle Columbia. Il cavo questa volta fu srotolato per circa 20 kilometri in direzione opposta alla Terra e arrivò a generare una potenza di circa 3 kW. Quando mancavano poche decine di metri al completo rotolamento, una scarica elettrica prodotta da un cattivo isolamento del materiale conduttore ne causò la rottura, con la conseguente perdita del satellite. Nonostante questo, però, da un punto di vista scientifico il satellite a filo del '96 è da considerarsi un successo. Qualche anno più tardi un sistema a filo di 4 kilometri (TiPS, Tether Physics and Survivability), che portava alle estremità due masse inerti, fu lanciato dal Naval Research Laboratory degli USA. TiPS è sopravvissuto nello spazio per diversi anni, dimostrando non solo che il fenomeno fisico era utilizzabile, ma che poteva essere sfruttato a lungo.

Oggi gli esperimenti sul filo conduttore nello spazio puntano a realizzare la cosiddetta propulsione elettrodinamica: il filo conduttore viene dotato di una batteria che genera una corrente che scorre in direzione opposta a quella in cui scorrerebbe normalmente secondo il meccanismo che abbiamo descritto. Le correnti, a loro volta, generano un campo magnetico che viene respinto dal campo magnetico terrestre, garantendo così la spinta desiderata al filo conduttore. Sembra contorto, ma funziona. Ma quali possono essere le applicazioni?

Supponiamo di avere un filo conduttore di 80-100 kilometri che si muove intorno alla Terra ruotando velocemente. Supponiamo che una delle estremità sia in grado di agganciare al volo un satellite che orbita a quota bassa e di rilasciarlo dopo mezzo giro, lanciandolo come una fionda nello spazio. Il satellite potrebbe acquistare momento ed energia sufficiente per raggiungere un'orbita a quota maggiore oppure addirittura per lanciarsi in una cavalcata interplanetaria. Il filo conduttore potrebbe poi utilizzare la luce solare raccolta da pannelli solari per alimentare correnti elettriche che si oppongano al campo magnetico terrestre. Quest'ultimo, respingendo il filo conduttore, gli restituirebbe il momento e l'energia spesi per lanciare il satellite.

Sebbene appaia fantascientifico, un prototipo di sistema di propulsione a filo è stato sperimentato con successo dalla NASA nel giugno scorso. Il vantaggio di questa tecnica è che non richiede l'uso di propellente, perché utilizza solo il campo magnetico terrestre riducendo enormemente le spese di lancio: sarebbe sufficiente immettere i satelliti in un'orbita bassa, per poi trasferirli su orbite più alte con una fionda a filo.

Per concludere vale la pena ricordare che, almeno fino a quale anno fa, l'università La Sapienza di Roma studiava la possibilità di utilizzare i fili conduttori nello spazio per frenare i satelliti in orbita bassa e causarne il rientro a terra. Si trattava, insomma, di una specie di spazzino elettrico (EDOARD, Electrodynamic De-Orbiting And Re-entry Device), che avrebbe liberato la ionosfera di molti detriti spaziali costruiti dall'uomo.

Link utili

http://www.tethers.com/

http://www.nasa.gov/centers/marshall/news/news/releases/2005/05-108.html

http://www.tetherapplications.com/