Satelliti che non cadono

Come fanno i satelliti artificiali a mantenersi in orbita senza cadere sulla Terra?

Mino di Punzio
11 gennaio 2006
In realtà un satellite artificiale in orbita bassa, cade effettivamente verso la Terra con un'accelerazione di gravità g. In caso contrario continuerebbe a muoversi senza accelerazione lungo una linea retta tangente alla superficie della Terra e un osservatore terrestre lo vedrebbe muoversi verso l'alto. Quando si lancia un satellite nello spazio è come quando si spara un proiettile. Nel moto dei proiettili, che compiono una traiettoria parabolica, l'accelerazione di gravità g è perpendicolare alla velocità solo nell'istante in cui il proiettile raggiunge l'altezza massima. Poi ricadono sulla Terra perché la velocità non è abbastanza elevata e l'energia cinetica non è sufficiente a compensare l'energia del campo gravitazionale che la fa ricadere a Terra.

Nel caso dei satelliti bisogna imprimere al satellite una velocità tangenziale alla traiettoria da percorrere al momento dell'immissione in orbita, in modo che l'accelerazione di gravità rimanga sempre perpendicolare alla velocità. In pratica l'energia cinetica iniziale e l'energia del campo gravitazionale terrestre si devono compensare a vicenda. La velocità di immissione in orbita dipende dall'altezza dell'orbita.

Secondo le leggi della fisica, un corpo che percorre una traiettoria circolare è sempre soggetto a una forza di tipo centrale con una velocità che dipende dal quadrato della distanza dal centro di forza. I satelliti artificiali si trovano generalmente in orbite circolari o ellittiche sui quali agisce la forza di gravità, una forza centrale, diretta cioè sempre verso il centro della traiettoria percorsa e proporzionale al quadrato della velocità. In un moto circolare la direzione della velocità cambia infatti di istante in istante (anche se la velocità è costante) e non si può quindi parlare di moto uniforme. Nel nostro caso, il satellite è il sistema in moto circolare e subisce quindi una forza verso il centro della traiettoria (la forza di gravità) che mantiene il satellite in orbita.

Le navette spaziali (come lo Shuttle), le stazioni permanenti (come la Mir o la ISS) e la stragrande maggioranza dei satelliti si trovano generalmente ad un'altezza di circa 300-400 km sopra la superficie terrestre, dove orbitano ad una velocità di circa 28000, compiendo un'orbita in circa 90'. Questo tipo di orbite vengono chiamate anche orbite LEO (Low Earth Orbit), ad indicare che si tratta di orbite basse. I satelliti geostazionari si pongono invece su orbite ben più alte (36000 km circa), in modo da compiere un'orbita in 24 ore, restando cioè sempre sopra lo stesso punto (ecco perché vengono chiamati geostazionari).

C'è poi un'altra considerazione da fare a proposito del fatto che non è poi vero che i satelliti si mantengano in orbita senza cadere mai sulla Terra. In un orbita bassa lo spazio non è proprio vuoto, vi sono particelle di atmosfera residua che possono provocare attrito e rallentare la velocità iniziale del satellite. A causa del rallentamento, diminuisce anche la quota e il satellite finisce prima o poi per cadere sulla Terra. Quanto maggiori saranno le dimensioni del satellite, tanto maggiore sarà l'attrito e di conseguenza il rallentamento della velocità orbitale e la conseguente caduta sulla Terra. Ciò non avviene nel caso di piccoli satelliti, mentre invece una struttura come quella della Stazione Spaziale Internazionale necessita di continue correzioni dell'altezza dell'orbita che vengono apportate dalle navette che periodicamente vengono attraccate alla struttura.

Vojko Bratina Istituto Nazionale di Ottica Applicata, Firenze

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