La Minaccia degli Asteroidi: Indagine NASA sulle tecnologie rilevanti per la difesa da Oggetti Vicini alla Terra (NEO: Near Earth Object)

In questi giorni di pandemia e lockdown i media si sono affrettati a rilanciare una notizia positiva; sembra che gli abitanti del nostro pianeta Terra possano tirare un sospiro di sollievo. Infatti, l'agenzia spaziale statunitense NASA ha confermato che il pianeta sembra essere "al sicuro" da un asteroide un tempo temuto per almeno i prossimi 100 anni. Si tratta dell’asteroide Apophis che prende il nome dall'antico dio egizio del caos e dell'oscurità; il potenziale Distruttore si stima che abbia un diametro di 340 m. e una velocità orbitale di circa 31 Km/sec. La Nasa aveva considerato Apophis uno degli asteroidi più pericolosi per la Terra dopo la sua scoperta nel 2004. I pericoli nei passaggi ravvicinati nel 2029 e nel 2036 sono stati previsti e successivamente esclusi. Una leggera minaccia sembrava rimanere ancora per il 2068. Ma, ora la Nasa ha respinto quella minaccia sulla base di una nuova analisi dell'asteroide. La conclusione è stata che un impatto al 2068 non è più nelle possibilità per almeno i prossimi 100 anni.

Sono trascorsi 5 lustri dal rapporto Nasa sulle tecnologie rilevanti per la difesa da asteroidi orbitanti vicino alla Terra. Si tratta di un documento tecnico con alcune parti non adatte al grande pubblico, ma che sembra poco noto anche ad un pubblico più ristretto, sebbene non specialista. L’intero rapporto tecnico - nonostante il tempo trascorso e i presumibili aggiornamenti che possono essere intervenuti su alcuni punti – è e resta comunque molto interessante. Esso è disponibile in rete al seguente link:

https://space.nss.org/wp-content/uploads/2004-Survey-Of-Technologies-Relevant-To-Defense-From-NEOs-NASA.pdf

Qui di seguito se ne riporta a fini divulgativi una tabella che riepiloga le conseguenze di un impatto di un NEO secondo le sue dimensioni e una traduzione in Italiano dell’Executive Summary (Sintesi).

Resa (Mt)	Intervallo LogT	Diametro NEO	Diametro Cratere	Conseguenze
<10	–	–	–	Detonazione di asteroidi e comete nell'atmosfera superiore; solo quelli al ferro (<3%) raggiungono la superficie.
10–102	3.0	75 m	1.5 km	I ferrosi formano crateri; i pietrosi producono esplosioni in aria. Gli impatti a terra distruggono aree di dimensioni urbane; ad es. Washington, DC.
102–103	3.6	160 m	3 km	Ferrosi e pietrosi producono esplosioni a terra; le comete producono esplosioni in aria. L'impatto distrugge aree urbane; ad es. New York City
103–104	4.2	350 m	6 km	Gli impatti sulla terra producono crateri; gli tsunami oceanici diventano significativi. L'impatto al suolo distrugge un'area delle dimensioni di un piccolo stato; ad esempio, Delaware.
104–105	4.8	0.7 km	12 km	Gli tsunami raggiungono scale oceaniche, superano i danni causati dagli impatti terrestri. L'impatto al suolo distrugge un'area delle dimensioni di uno stato moderatamente ampie; ad es. Virginia.
105–106	5.4	1.7 km	30 km	L'impatto sulla terra solleva abbastanza polvere da influenzare il clima, congelando il raccolto. Gli impatti oceanici generano tsunami su scala emisferica. Distruzione globale dell'ozono. L'impatto al suolo distrugge un'area delle dimensioni di un grande stato; ad esempio, California.
106–107	6.0	3 km	60 km	Sia gli impatti sulla terra che sull'oceano sollevano polvere, cambiano il clima. Impatti di ejecta sono globali, innescando incendi diffusi. L'impatto a terra distrugge aree delle dimensioni di una grande nazione; ad esempio, Messico
107–108	6.6	7 km	125 km	Effetti climatici prolungati, configurazione globale, probabilmente estinzione di massa. La distruzione diretta si avvicina alla scala continentale; per esempio., Stati Uniti.
108–109	7.2	16 km	250 km	Grande estinzione di massa; ad es. evento di tipo K-T.
>1010	–	–	–	Minaccia di sopravvivenza di tutte le forme di vita avanzate.

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Indagine sulle tecnologie rilevanti per la difesa da Oggetti Vicini alla Terra (NEO: Near Earth Object)

SINTESI

Quasi 300 milioni di anni fa una cometa con un diametro di ≈10 km colpì la Terra vicino a Chicxulub nell'attuale Messico. L'impatto ha creato un cratere di quasi 300 km di diametro e ha trasportato nell'atmosfera grandi quantità di polvere e detriti. La polvere ha impedito a gran parte della radiazione solare di raggiungere la superficie terrestre e la risultante era glaciale ha causato l'estinzione del 50% circa delle specie animali esistenti, inclusi, i più famosi, i dinosauri. Circa 50.000 anni fa un asteroide di ferro con un diametro di ≈150 m colpì la Terra in quella che ora è l'Arizona centro-settentrionale. Questo impatto ha creato un cratere di 1 mi di diametro e l'onda d'urto risultante ha ucciso tutti i grandi mammiferi entro un raggio di 24 km. Nel 1908, una piccola cometa o asteroide con un diametro di ≈50 m entrò nell'atmosfera terrestre sopra la Russia orientale. Il calore estremo e le pressioni aerodinamiche generate durante l'entrata hanno causato la disintegrazione dell'oggetto in modo esplosivo in un punto ad una altitudine di ≈8 km. Questo scoppio esplosivo, da allora definita un'esplosione aerea, è avvenuta sopra la Siberia, vicino alla città di Tunguska. L'esplosione è avvenuta molto vicino all'altitudine alla quale si sarebbe prodotto il massimo danno al suolo. Ha lasciato una zona di distruzione di quasi 40 km di diametro attorno al punto di disintegrazione.

La comunità scientifica ora accetta che questi eventi siano solo i principali esempi del continuo bombardamento in corso della Terra da parte di un'ampia varietà di oggetti, la maggior parte dei quali frammenti di asteroidi o comete in orbita attorno al Sole. Molti ritengono che, poiché sembra che non ci siano state perdite di vite umane a causa dei bombardamenti cosmici, questa minaccia può essere ignorata. Contro questo si può sostenere che, poiché la nostra conoscenza del sistema solare in generale - e dei suoi corpi minori in particolare - è molto recente, molte catastrofi inspiegabili nel passato possono effettivamente essere attribuibili all'impatto di asteroidi o comete. Inoltre, la crescita esponenziale della popolazione mondiale, combinata con la nostra crescente dipendenza tecnologica, rende l'umanità molto più vulnerabile alle conseguenze dell'impatto di un oggetto vicino alla Terra (NEO). Nonostante queste tendenze preoccupanti, abbiamo a disposizione mezzi di difesa efficaci contro la minaccia NEO. Questo è l'argomento dello studio condotto dal Marshall Space Flight Center riportato in questa pubblicazione tecnica (TP).

Questo TP è diviso in nove sezioni. Ogni sezione ha lo scopo di introdurre gradualmente il lettore ai vari aspetti del problema, quantificando la minaccia NEO, sviluppando opzioni di mitigazione e valutando la loro efficacia. Dopo l'introduzione nella sezione 1, la sezione 2 presenta la minaccia degli asteroidi e delle comete e delinea la nostra crescente comprensione degli impatti dei NEO. La sezione 3 discute varie configurazioni di missione che potrebbero essere selezionate come parte di una strategia di difesa. La sezione 4 descrive in dettaglio le tecnologie di propulsione considerate come candidate per trasportare l'hardware di difesa verso un NEO legato alla Terra. La sezione 5 esamina le attuali tecnologie di difesa o mitigazione che sarebbero utilizzate per frammentare o deviare un NEO legato alla Terra. La sezione 6 introduce gli strumenti di modellazione della traiettoria utilizzati nello studio. La sezione 7 descrive i mezzi con cui tutti gli strumenti di cui sopra sono stati incorporati in un unico ambiente di progettazione "principale" e utilizzati per cercare soluzioni ottimali al problema della difesa planetaria. La sezione 8 contiene i risultati delle analisi parametriche condotte utilizzando gli strumenti e i dati descritti nelle sezioni da 2 a 7. Infine, le conclusioni e le raccomandazioni di questo progetto sono presentate nella sezione 9.

La sezione 2 offre una panoramica della nostra attuale comprensione di asteroidi e comete, nonché della minaccia che rappresentano per la Terra. Vengono introdotti metodi di categorizzazione per asteroidi e comete, sia per parametri orbitali che per composizione. Successivamente, vengono presentate la frequenza, la posizione e la sequenza degli impatti noti e sospetti sulla Terra. Viene quindi fornita una sequenza temporale che descrive lo sviluppo di conoscenza umana di asteroidi, comete e degli impatti di questi corpi. Questa sequenza temporale aiuta a spiegare perché la nostra documentazione storica non contiene ulteriori informazioni sui possibili impatti. Viene quindi discussa l'attuale conoscenza della popolazione NEO all'interno del sistema solare. Vengono quindi descritti gli effetti fisici immediati di vari tipi di impatto, così come le conseguenze a lungo termine. Infine, vengono offerte alcune riflessioni sull'attuale mancanza di credibilità pubblica significativa riguardo a questa minaccia.

Ci sono molte diverse opzioni potenzialmente disponibili per difendersi da un NEO in arrivo. Raggruppare queste opzioni in categorie ci consente di sviluppare processi di analisi applicabili a un'intera categoria, invece di dover stabilire un processo diverso per ciascuna opzione. Questo approccio di categorizzazione è nuovo per questo studio; la prova del suo uso precedente non era da nessuna parte in letteratura.

Al livello più alto, le opzioni di mitigazione possono essere suddivise in due categorie: deviazione e frammentazione. L'opzione di deflessione lascia l'oggetto in gran parte intatto, ma cambia la sua velocità di una piccola quantità, sufficiente per garantire che manchi la Terra di una distanza maggiore o uguale a un certo valore minimo: in letteratura, questo è solitamente fissato a 3 raggi terrestri. L'opzione di frammentazione rompe il NEO in pezzi, ciascuno abbastanza piccolo da bruciare nell'atmosfera terrestre. C'è una certa incertezza sulla dimensione massima del frammento che non minaccerebbe la Terra; come prima approssimazione è stato scelto un diametro di 10 m. Anche i mezzi con cui l'energia viene erogata, per frammentare o deviare un NEO, possono essere classificati. Una stazione remota proietta un raggio o spara un proiettile al NEO in arrivo. Un intercettore viaggerebbe attraverso il sistema solare interno e avrebbe effettivamente un impatto sul NEO. Infine, sotto l'opzione rendezvous, l'hardware di mitigazione verrebbe trasportato al NEO e farebbe corrispondere le orbite con esso. Ciò consente al veicolo di operare su o vicino al NEO per una durata prolungata, erogando la sua energia di deflessione o frammentazione per un tempo prolungato invece che in un breve impulso.

Diversi sistemi di propulsione sono stati considerati candidati per posizionare il veicolo di mitigazione su una traiettoria di intercettazione o di rendezvous con il NEO. Un razzo multistadio ossigeno liquido / idrogeno liquido è stato selezionato come opzione di base a causa della sua maturità tecnica. Il razzo termico nucleare è stato mantenuto come opzione aggiuntiva a causa del suo impulso specifico superiore. È stato anche mantenuto un derivato in scala ridotta del concetto ORION degli anni '60, denominato tecnica dell'impulso nucleare. Per le traiettorie nel sistema solare interno che richiedono grandi cambiamenti di inclinazione, le vele solari sono altamente competitive e così sono state considerate allo stesso modo. Infine, è stato considerato un derivato della vela solare, il collettore solare.

Inoltre, sono stati considerati diversi concetti molto interessanti per la mitigazione delle minacce. È stata valutata la frammentazione del NEO in arrivo utilizzando dispositivi nucleari. L'uso di dispositivi nucleari per deviare il NEO

è stato anche considerato. La vela solare è stata presa in considerazione, ma è stata rifiutata, in quanto è risultata impraticabile per tutti tranne gli asteroidi più piccoli. Il collettore solare, tuttavia, ha mostrato notevoli promesse per tutti tranne i più grandi asteroidi e comete. È stata presa in considerazione la nuova opzione di deflessione mediante l'uso di un campo magnetico pulsato in rapida crescita. Inoltre, è stato considerato ed è stato modellato in dettaglio l'uso di un driver di massa, trasportato e installato sull'asteroide in arrivo. Infine, è stata considerata la deflessione del NEO con mezzi puramente cinetici, utilizzando un proiettile inerte ad altissima velocità.

Sia le traiettorie in uscita che in entrata sono state modellate utilizzando strumenti sviluppati nell'ambito di questo studio. Il modello in uscita ha risolto il problema di Gauss per traiettorie ad alta spinta. Il modello inbound calcolato a ritroso nel tempo dal punto di impatto con la Terra al fine di determinare il ∆V istantaneo necessario per ottenere la deflessione minima richiesta. Sono stati presi in considerazione i calcoli della traiettoria in entrata

l'influenza sia del Sole che della Terra. L'inclusione del campo gravitazionale del Sole in questi calcoli produce risultati significativamente diversi rispetto alle  approssimazioni dei due corpi trovate in letteratura. Alcune delle nostre tecniche propulsive non forniscono livelli di spinta elevati e, poiché trascurano le perdite per gravità, queste tecniche di calcolo della traiettoria sono solo approssimative. Tuttavia, per questo primo tentativo di soluzione, eravamo disposti ad accettare il conseguente livello di incertezza nelle nostre risposte. Abbiamo intenzione di rivisitare questo problema e modellare gli effetti delle perdite gravitazionali alla prima opportunità in futuro.

Il nostro parametro di minaccia si basa sui risultati di studi precedenti sulla modellazione delle conseguenze complessive di un impatto. Il nostro modello utilizza le attuali conoscenze della popolazione di asteroidi e comete per eseguire simulazioni Monte Carlo per stabilire la probabilità di impatto. Questi risultati sono combinati con le stime del numero medio di vittime per un asteroide o una cometa di una data dimensione e composizione e vengono quindi utilizzati per determinare il numero medio di decessi derivanti da questa minaccia in un dato periodo di tempo. I nostri vari concetti di mitigazione delle minacce possono quindi essere valutati in base alla percentuale di questa minaccia che ciascuno può sconfiggere e, in ultima analisi, dal numero medio di vite che verrebbero salvate.

Il prossimo obiettivo era combinare gli strumenti e i concetti sopra descritti per determinare le configurazioni ottimali per sconfiggere la minaccia. I vincoli di tempo e di finanziamento hanno reso necessario un approccio meno ambizioso. Supponendo un'orbita di un asteroide di base, abbiamo integrato la nostra traiettoria, propulsione e strumenti di mitigazione delle minacce per quantificare la relazione tra la massa del sistema richiesta e la dimensione dell'oggetto deviato. Questi risultati sono riassunti per i concetti valutati nello studio nella tabella seguente. Sulla base di questi risultati, così come i confronti qualitativi documentati qui, abbiamo considerato l'opzione dell'impulso nucleare la più praticabile per la minaccia complessiva. Tuttavia, riconoscendo la nostra limitata capacità di modellazione per questo studio, consigliamo vivamente di prendere in considerazione un ampio spettro di tecnologie di deflessione, comprese tutte le opzioni valutate qui, per qualsiasi lavoro futuro.

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LA MISSIONE DART della NASA

Il sistema binario di asteroidi 65803 Didymos è il target della prima missione nella storia per deviare un asteroide. Progettata dalla Nasa – che gli ha dato per nome l’acronimo DART (dardo) - Double Asteroid Redirection Test – ha come obiettivo il minuscolo Dydimos B, la roccia più piccola della coppia che costituisce il sistema Didymos, che peraltro è stato osservato nella prima metà del 2019 con il Very Large Telescope dell’ESO. E' previsto di colpire l'obiettivo nel 2022 per deviarlo quando si troverà a 17 milioni di chilometri dalla Terra; un'impresa da fantascienza, in cui sarà coinvolto anche un mini satellite dell'Agenzia Spaziale Italiana (Asi) liberato poco prima dell'impatto, per documentarlo e reperire dati di studio. Il sistema 65803 Didymos è composto da un corpo più grande, del diametro di circa 780 metri, e di una piccola luna, chiamata Didymoon, dal diametro di 160 metri. La sonda DART si prevede raggiungerà la deflessione dell'impatto cinetico schiantandosi deliberatamente contro la luna dell’asteroide binario a una velocità di circa 6,6 km / s. La coppia scelta per i test non è considerata una minaccia per la Terra ma un bersaglio ideale a fini di studio. L'impatto dovrebbe modificare il modo in cui Didymoon ruota intorno all'asteroide più grande permettendo di studiare le conseguenti variazioni dell'orbita. Il team che se ne occupa è impegnato nelle osservazioni di Didymos  fino alla primavera del 2021, durante l'avvicinamento della sonda e durante l'impatto. Bisognerà comprendere come si comporta il sistema e studiarne la composizione, anche perché una superficie “morbida” assorbirebbe di piu' la forza dell’impatto con la sonda rispetto a una rocciosa e l'asteroide potrebbe non essere deviato come atteso. Dati più dettagliati del sistema 65803 Didymos si possono trovare anche su https://it.wikipedia.org/wiki/65803_Didymos o direttamente sul sito della NASA https://www.nasa.gov/planetarydefense/dart insieme ad una dettagliata illustrazione dell’intera missione DART.  Se tutto si svolgerà secondo i piani, il lancio della sonda spaziale Dart – 550 kg di Massa – è in calendario nel giugno 2021 (con un Falcon 9 della SpaceX) la sonda si dovrebbe deliberatamente schiantare nel settembre del 2022 contro la piccola Didymoon a oltre 20mila km/h, con l’obiettivo dichiarato di perturbarne l’orbita. 
 

L'EKI: Una Recente Proposta Cinese

 Alcuni scienziati cinesi hanno proposto in un loro studio recentemente pubblicato su Nature ( vedi https://www.nature.com/articles/s41598-020-65343-z#:~:text=The%20Enhanced%20Kinetic%20Impactor%20(EKI,the%20NEA%20as%20the%20EKI ) il concetto di EKI (Enhanced Kinetic Impactor), ossia Impattore Cinetico Migliorato, per deviare gli Asteroidi Potenzialmente Pericolosi  (PHA) di grandi dimensioni tramite la raccolta e manovra di rocce spaziali. Essi sostengono  che usare un veicolo spaziale per colpire un grande asteroide è simile all'uso di un uovo per smuovere una roccia. Anche a una velocità di impatto elevata, il miglioramento dell'efficienza di deflessione per i grandi asteroidi è comunque limitato.

Si riporta qui di seguito la traduzione dell'Abstract dell'articolo cinese pubblicato da Nature: 

Gli impatti degli asteroidi rappresentano una grave minaccia per tutta la vita sulla Terra. L'era dei dinosauri è stata bruscamente interrotta da un asteroide di 10 km di diametro. Attualmente, un dispositivo nucleare è l'unico mezzo per deviare grandi asteroidi potenzialmente pericolosi (PHA) lontano da una traiettoria di impatto sulla Terra. Il concetto dell'Enhanced Kinetic Impactor (EKI) è proposto per deviare i PHA di grandi dimensioni tramite la manovra delle rocce spaziali. Innanzitutto, un veicolo spaziale senza pilota viene lanciato per incontrarsi con un Asteroide Near-Earth (NEA) intermedio. Quindi, più di cento tonnellate di rocce vengono raccolte dal NEA come EKI. Il NEA può anche essere catturato come EKI se è molto piccolo. Infine, l'EKI viene manovrato per colpire il PHA ad alta velocità, determinando una significativa deflessione del PHA. Ad esempio, per deviare Apophis, fino a 200 t di rocce potrebbero essere raccolte da una NEA come EKI sulla base delle capacità ingegneristiche esistenti. L'EKI può produrre un incremento di velocità (∆v) di 39,81 mm / s in Apophis, aumentando così la distanza geocentrica minima durante l'incontro ravvicinato nel 2029 di 1.866,93 km. Questa missione può essere completata in 3,96 anni con un costo del propellente di 2,98 t. Rispetto a un classico dispositivo di simulazione cinetica, la distanza di deflessione può essere aumentata di un ordine di grandezza. Il concetto EKI supera la limitazione della capacità di lancio da terra, che può aumentare significativamente la massa del dispositivo di simulazione. Prevediamo che la nostra ricerca sarà un punto di partenza per una difesa planetaria efficiente contro i grandi PHA.