Gateway: una stazione per rimanere sulla Luna

(di Riccardo Cattaneo)

Se Orion e Space Launch System saranno necessari per permettere agli astronauti di raggiungere la Luna, è ora necessario comprende quali saranno le architetture che li ospiteranno durante le loro lunghe missioni. Con l’obiettivo di tornare rapidamente sulla Luna, il programma Artemis ha infatti rivoluzionato le architetture spaziali statunitensi, che dopo il gande successo della Stazione Spaziale Internazionale hanno deciso, in cooperazione con numerosi attori internazionali, di costruire una nuova stazione spaziale, questa volta in orbita lunare. Lo Space Launch System servirà quindi anche per il posizionamento in orbita cislunare dei moduli del Lunar Orbital Platform-Gateway[1](precedentemente conosciuto come Deep Space Gateway), una nuova stazione spaziale fondamentale per la sostenibilità della nuova età di esplorazione umana della Luna. Rispetto alla Stazione Spaziale Internazionale, permanentemente abitata dal 2000 e con un volume pressurizzato di 916 m3 [2], alla sua massima estensione il Gateway dovrebbe raggiungere un volume pressurizzato di 125m3 e potrà ospitare un massimo di quattro astronauti, contro i sei della ISS[3]. Il Gateway darà supporto alle missioni umane e robotiche sulla Luna e sarà dotato di laboratori scientifici, moduli abitativi e stazioni di attracco per i veicoli in transito per la Luna e, in futuro, verso Marte[4]. Considerando che la pianificazione attuale prevede missioni annuali della durata di un mese[5], contrariamente alla Stazione Spaziale Internazionale, il Gateway rimarrà lungamente disabitato[6].

La progettazione della stazione cislunare nasce anche con l’intento di portare in orbita cislunare le partnership internazionali e commerciali che si sono dimostrate di grande successo sulla Stazione Spaziale Internazionale. Nella realizzazione del Gateway, la NASA sarà infatti affiancata da Roscosmos, JAXA, CSA, Agenzia Spaziale Europea e numerosi attori privati[7]. Alla cooperazione politica, si affianca quella scientifica, che permetterà di condividere i costi per testare nuove tecnologie e studiare gli effetti sulla vita umana di missioni di lungo termine nello spazio profondo[8]. Nello specifico, esiste un concept della NASA che prevede di utilizzare il Gateway come hub per assemblare il Deep Space Transport, un veicolo appositamente teorizzato per permettere agli esseri umani di effettuare una missione di due anni su Marte, prima di tornare sulla Terra[9].

Al pari della Stazione Spaziale Internazionale, il Gateway è una stazione modulare e il suo assemblamento avverrà nel corso degli anni attraverso il lancio successivo di moduli da Terra. Il primo sarà il Power and Propulsion Element (PPE), riadattato per la stazione cislunare dopo essere stato originariamente pensato per servire gli astronauti durante la cancellata Asteroid Redirect Mission. Con una massa di circa 8 tonnellate, il PPE è in corso di sviluppo presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA e si occuperà di fornire energia, comunicazione e propulsione per il controllo d’assetto e il trasferimento orbitale del Gateway[10]. Il PPE sarà dotato di grandi pannelli solari per permettere la generazione di 50kW di energia elettrica, necessari per alimentare il suo sistema di propulsione ionica, che potrà anche essere integrato dalla propulsione chimica. È attualmente previsto che il lancio del PPE avvenga con l’uso di un vettore privato entro la fine del 2022[11]. Esso verrà inserito in una Near Rectilinear Halo Orbit (NRHO), orbita lunare che verrà completata in sei giorni e porterà il Gateway ad un perilunio di 3.000 chilometri e un apolunio di 70.000 chilometri. Questa orbita permetterà alla stazione cislunare di non venire mai eclissata dalla Luna, mantenendo comunicazioni costanti con la Terra[12].

Al pari del PPE, anche altri moduli del Gateway verranno lanciati da veicoli commerciali, mentre solo dal 2025 lo Space Launch System, in configurazione Block 1B, dovrebbe iniziare a effettuare voli annuali – con o senza equipaggio – per trasportare i nuovi componenti della stazione cislunare[13]. Nonostante il concept dei moduli del Gateway sia ancora in evoluzione, la NASA ha comunicato quella che dovrebbe essere la struttura finale della stazione. Uno dei moduli fondamentali sarà lo European System Providing Refuelling, Infrastructure and Telecommunications (ESPRIT), che fornirà ulteriore capacità propulsiva (principalmente attraverso xenon e idrazina) e di comunicazione, nonché un airlock per il rilascio nello spazio di materiale scientifico[14]. Sviluppato da Airbus e da Thales Alenia Space, ESPRIT avrà una massa di 4 tonnellate e una lunghezza di 3 metri[15]. Il lancio avverrà entro il 2023 con un vettore commerciale, il quale trasporterà anche lo US Utilization Module, che inizialmente sarà l’unico modulo abitativo[16]. Nello stesso anno, un altro lancio commerciale dovrebbe inviare sul Gateway i lander privati che permetteranno agli astronauti di allunare nel 2024[17].

Secondo l’agenda attuale, il Gateway verrà completato solo entro la fine degli anni Venti o l’inizio degli anni Trenta. Entro questa deadline è infatti previsto il lancio di due ulteriori moduli abitativi, uno statunitense (U.S. Habitation Module) e uno europeo (International Habitation Module), che serviranno per fornire agli astronauti ulteriore spazio abitabile (fino a raggiungere l’obiettivo dei 125 m3 di volume) e un potenziamento del sistema di supporto vitale, di stoccaggio e distribuzione dell’acqua. L’Agenzia Spaziale Canadese (CSA) si è invece impegnata a fornire un nuovo braccio robotico, chiamato a svolgere le stesse funzioni del cd. Canadarm (Remote Manipulator System) sulla Stazione Spaziale Internazionale. Successivamente saranno lanciati ulteriori moduli logistici, necessari per i rifornimenti da Terra. Roscosmos fornirà il Gateway Airlock Module, necessario per compiere attività extraveicolari, agganciare nuovi moduli o assemblare un veicolo spaziale per un viaggio nello spazio profondo. L’Agenzia Spaziale Giapponese (JAXA) contribuirà costruendo uno Smart Lander for Investigating the Moon(SLIM), che sarà capace di allunare autonomamente e con precisione[18]. Infine, dovrebbe essere lanciato anche un Sample Return Vehicle, una sonda robotica capace di scendere sul suolo lunare per raccogliere campioni e riportarli autonomamente sul Gateway[19].

Uno degli aspetti più interessanti dello sviluppo della stazione cislunare è rappresentato dalla partnership con il settore privato che, oltre a fornire i vettori per i lanci dei primi moduli, svilupperà anche i lander riutilizzabili per gli allunaggi[20]. Sebbene la NASA non abbia ancora selezionato i fornitori, sono già emerse le interessanti proposte di Blue Origin e Lockheed Martin. Nel primo caso, il lander sarà chiamato Blue Moon ed è stato mostrato solo un concept[21]. È inoltre da definire se il lancio avverrà con lo Space Launch System o attraverso il razzo New Glenn, di proprietà di Blue Origin e attualmente in fase di sviluppo[22]. Nel secondo caso, il Lockheed Martin Lander sarà in grado di trasportare fino a quattro persone sulla superficie lunare e fornire supporto vitale fino a due settimane. Sebbene il progetto originale di Lockheed Martin prevedesse un veicolo a uno stadio[23], la fretta imposta dalla NASA ha fatto propendere per un più classico veicolo a due stadi[24]. A dispetto di chi si aggiudicherà il contratto, la NASA potrà iniziare a trasformare la propria politica spaziale, agendo maggiormente come cliente commerciale – acquistando un servizio – piuttosto che assumendo i rischi connessi allo sviluppo di queste tecnologie.

Contrariamente a quanto avvenuto con la Stazione Spaziale Internazionale, che per essere completata ha richiesto oltre trenta lanci, la NASA conta che per il Gateway saranno necessarie circa dieci missioni, che dal lancio del Power and Propulsion Elementnel 2022 avverranno con cadenza annuale[25]. Oltre a promettere la sostenibilità dell’esplorazione lunare, il Gateway permetterà di studiare gli effetti sul corpo umano della permanenza prolungata nello spazio profondo. Inoltre, in assenza di ritardi di comunicazione con la Luna, la stazione cislunare consentirà ai suoi ospiti anche di manovrare rover in tempo reale sulla superficie[26]. Una volta ultimato, il Gateway diverrà dunque un’architettura fondamentale per l’esplorazione umana dello spazio profondo, permettendo lo studio e la raccolta dei dati necessari per lo sviluppo di nuove tecnologie indispensabili anche per future missioni verso Marte.

Per la prima volta dalla fine della corsa allo spazio, stiamo assistendo alla pianificazione di missioni umane verso la Luna e, in prospettiva, verso lo spazio profondo. Artemis è però sostanzialmente differenze al programma Apollo in quanto non si fonda su budget straordinari della NASA e ambisce a rendere sostenibile nel lungo termine l’esplorazione umana dello spazio profondo. Per raggiungere quest’ultimo obiettivo, gli Stati Uniti hanno rivoluzionato le proprie architetture nell’ambito di un grande programma di cooperazione internazionale che dovrebbe permettere anche ad astronauti di altre nazionalità di potere raggiungere il nostro satellite. In un contesto economico totalmente differente, ecco che la nuova competizione tra Oriente e Occidente (tra Cina e Stati Uniti) ha riportato l’esplorazione spaziale sotto la luce dei riflettori. In perfetta sintonia con la grandeur trumpiana, gli Stati Uniti hanno rilanciato i propri obiettivi allo scopo di conquistare la Luna, prima della Cina, per spingersi poi verso Marte. Lo spazio rimane quindi ancora oggi un fondamentale elemento di prestigio e Washington non vuole rischiare di perdere il suo primato a vantaggio delle nuove potenze spaziali.

[1] C. Gebhardt, NASA finally sets goals, missions for SLS – eyes multi-step plan to Mars, NASA spaceflight.com, 6 aprile 2017. [2] NASA, International Space Station Facts and Figures, 21 marzo 2019. [3] Cfr. D. Todd, Where next for the IAC?, in “SpaceFlight”, vol. 61, n. 1, British Interplanetary Society, 2019. [4] NASA, Expanding human presence into the solar system starting with the Lunar Gateway, 8 marzo 2019. [5] Cfr. J. Carter, From Apollo 11 To Artemis 3: Here’s NASA’s Mission Timeline For Putting Humans Back On The Moon, Forbes, 22 luglio 2019. [6] D. Todd, Where next for the IAC?, cit., p. 15. [7] NASA, Expanding human presence into the solar system starting with the Lunar Gateway, cit. [8] NASA, Explore Moon to Mars. [9] Cfr. NASA, Human Exploration and Operations Committee Status, 30 marzo 2017. [10] NASA, Expanding human presence into the solar system starting with the Lunar Gateway, cit. [11] NASA, NASA Awards Artemis Contract for Lunar Gateway Power, Propulsion, 23 maggio 2019. [12] Cfr. C. P. Newman, D. C. Davis, R. J. Whitley, J. R. Guinn, M. S. Ryne, Stationkeeping, orbit determination, and attitude control for spacecraft in Near Rectilinear Halo Orbits, NASA. Disponibile su: [13] Cfr. J. Carter, From Apollo 11 To Artemis 3: Here’s NASA’s Mission Timeline For Putting Humans Back On The Moon, cit. [14] NASA, Expanding human presence into the solar system starting with the Lunar Gateway, cit. [15] Cfr. Airbus, Forward to the Moon: Airbus wins ESA studies for future human base in lunar orbit, 20 settembre 2018.

[16] NASA, Expanding human presence into the solar system starting with the Lunar Gateway, cit. [17] L. Grush, NASA’s daunting to-do list for sending people back to the Moon, The Verge, 28 luglio 2019.

[18] NASA, NASA Administrator Explores Potential Artemis Collaborations with Japan, 24 settembre 2019. [19] NASA, Expanding human presence into the solar system starting with the Lunar Gateway, cit. [20] Ibidem. [21] Blue Origin, Blue Moon. [22] Blue Origin, New Glenn. Disponibile su: [23] Lockheed Martin, Lockheed Martin Reveals New Human Lunar Lander Concept, 3 ottobre 2018. [24] J. Foust, Lockheed Martin offers architecture for 2024 human lunar landing, Space News, 12 aprile 2019. [25] Cfr. J. Carter, From Apollo 11 To Artemis 3: Here’s NASA’s Mission Timeline For Putting Humans Back On The Moon, cit. [26] NASA, Explore Moon to Mars, cit.