Lanciata Europa Clipper alla ricerca di vita in un mondo d’acqua

Il 14 ottobre 2024 alle 18:06 italiane (le 16:06 UTC), SpaceX ha lanciato con successo la missione Europa Clipper con un razzo Falcon Heavy dalla rampa Launch Complex 39A del centro spaziale Kennedy Space Center, FL, USA. Il lancio è avvenuto senza problemi e inizia così una delle missioni più importanti del programma scientifico della NASA.

La data di partenza è stata leggermente posticipata rispetto a quanto previsto inizialmente, il 10 ottobre, a causa del passaggio dell’uragano Milton che ha attraversato la Florida e ha causato moderati danni al centro di lancio della NASA. Il periodo di lancio si sarebbe chiuso il 3 novembre, quindi qualche giorno di ritardo non ha influito sul profilo della missione. Il lancio di SpaceX è stato particolare in quanto non prevedeva il classico recupero dei booster laterali, essendo la missione tarata su un profilo che richiede una spinta maggiore in fase di partenza.

Selezione della missione

La missione Europa Clipper trae le sue origini dalle scoperte effettuate dalla sonda Galileo della NASA, che ha orbitato attorno a Giove dal 1995 al 2003. I dati raccolti da Galileo hanno suggerito la presenza di un vasto oceano di acqua liquida sotto la superficie ghiacciata di Europa. Questa scoperta ha acceso l’interesse della comunità scientifica per Europa, identificandola come uno dei luoghi più promettenti nel sistema solare per la ricerca di vita extraterrestre.

Il Planetary Science Decadal Survey del 2011, un documento che definisce le priorità della comunità scientifica per l’esplorazione planetaria nel decennio successivo, ha raccomandato una missione su Europa come obiettivo prioritario. In risposta a questa raccomandazione, nel 2013 il Congresso degli Stati Uniti ha incaricato la NASA di continuare lo sviluppo del progetto Europa Clipper, definendone la fattibilità. Dopo anni di studi e progettazione, la missione Europa Clipper è stata finalmente selezionata dalla NASA nel 2015 ed è considerata una missione di punta per l’esplorazione del sistema solare, con l’obiettivo di studiare l’abitabilità di Europa e di gettare le basi per future missioni in superficie.

La missione è anche l’elemento di punta del nuovo programma OWEP della NASA, Ocean Worlds Exploration Program, dedicato all’esplorazione di mondi oceanici nel nostro sistema solare, e di fatto creato apposta per sostenere questo tipo di missioni. L’OWEP si focalizza su corpi celesti che si ritiene possano ospitare oceani di acqua liquida sotto la loro superficie ghiacciata, e quindi potenzialmente adatte alla vita. Il programma OWEP finanzia non solo missioni come Europa Clipper, ma anche studi concettuali per future missioni, tra cui un possibile lander per Europa. L’unica altra missione al momento selezionata in questo programma è Dragonfly, un drone su Titano.

Perché proprio Europa

Da sempre l’umanità ha rivolto lo sguardo al cielo, ponendosi domande fondamentali sull’origine della vita. Dalle profondità oceaniche terrestri ai mondi alieni del nostro sistema solare, gli scienziati sono alla costante ricerca di indizi che possano svelare i misteri dell’origine della vita e la possibilità che esista altrove nell’universo. Infatti è dalle profondità degli oceani terrestri che è emersa la vita la prima volta, un fenomeno straordinario che continua ad affascinarci. Gli oceani hanno fornito l’ambiente ideale per la nascita e l’evoluzione delle prime forme di vita, proteggendoli dagli impatti di comete e asteroidi e offrendo una vasta gamma di elementi chimici essenziali. Per sapere se è possibile che la vita si sia formata altrove, lontano dalla Terra, il posto migliore per andare a cercarla, con le conoscenze attuali, è un corpo celeste che contenga un oceano.

Di mondi oceanici ce ne sono tanti nel sistema solare, tra i principali confermati ci sono: Europa, Encelado, Titano, Ganimede e Callisto. Oltre alla presenza di un oceano, diversi fattori sono cruciali per sostenere l’attività biologica, energia, elementi costitutivi della vita e condizioni fisico-chimiche.

L’energia che sostiene la vita sulla Terra viene prevalentemente dal Sole, anche se in passato era rilevante quella interna della Terra. Il nostro pianeta presenta infatti un nucleo riscaldato da elementi radioattivi e degli squilibri chimici che con il rimescolamento possono portare a reazioni che possono portare a produzione di energia. A parte il Sole, le altre forme di energia sono presenti anche nei mondi oceanici, in quantità dipendenti dalle caratteristiche del mondo in questione. Inoltre alcuni corpi celesti, come Europa, subiscono una forza mareale tale dal pianeta attorno a cui orbitano, da riscaldare il nucleo come una pallina tenuta in mano e schiacciata con forza ripetutamente.

C’è evidenza della presenza di fonti di energia interna su vari corpi celesti che sono stati sorvolati in passato da sonde spaziali. Il corpo più propenso ad avere energia in quantità tali da sostenere un’attività biologica è Encelado, un satellite naturale di Saturno. Le osservazioni hanno portato alla scoperta di una quantità di energia di circa un ordine di grandezza superiore a quanto stimato con i modelli. Non si sa di preciso da dove spunti l’energia in eccesso. A parte le sonde Voyager che hanno effettuato nulla più che un rapido sorvolo, soltanto Cassini ha passato parecchi anni a orbitare attorno a Saturno, permettendoci di avere una conoscenza adeguata del pianeta e dei suoi satelliti.

Europa è il secondo obiettivo scientifico del sistema solare per quanto riguarda la sostenibilità della vita, sempre escludendo la Terra. Ma Europa ha un enorme vantaggio ingegneristico rispetto a Encelado, che ha permesso di poter realizzare una missione di esplorazione: è più vicino. La vicinanza alla Terra e soprattutto al Sole, permette di semplificare considerevolmente la missione. Il viaggio è più corto, ci vogliono anni di meno, è possibile costruire una sonda con pannelli fotovoltaici, senza far ricorso all’energia nucleare, e le comunicazioni sono più facili, permettendo di trasmettere più dati scientifici.

Europa non è scelta solo per accontentarsi, la luna gioviana possiede evidenza di disponibilità di elementi biogenici. La vita, così come la conosciamo, richiede elementi come carbonio, idrogeno, azoto, ossigeno, fosforo e zolfo (CHNOPS). La presenza e la biodisponibilità di questi elementi in un mondo oceanico sono fondamentali a sostenere la vita, e dalla missione Galileo siamo al corrente che Europa possiede questi elementi. Un altro elemento molto determinante per le condizioni minime a sostenere la vita è la presenza di interfacce attive tra acqua e ghiaccio e acqua e roccia. Queste interfacce sono particolarmente importanti in quanto possono ospitare gradienti di nutrienti ed energia. Ad esempio, l’attività idrotermale sul fondo oceanico potrebbe trasformarsi in energia chimica necessaria per la vita.

La scelta del lanciatore

La NASA ha scelto il Falcon Heavy di SpaceX per lanciare la sua missione Europa Clipper, optando per questo vettore al posto del più potente Space Launch System (SLS), inizialmente previsto per il lancio. Questa decisione, presa nel luglio 2021, è stata il risultato di un’attenta analisi dei fattori economici, di disponibilità e di compatibilità tecnica.
Il fattore costo ha giocato un ruolo significativo nella scelta finale. Il passaggio al Falcon Heavy ha comportato un risparmio stimato di 2 miliardi di dollari solo per i costi di lancio. Questa notevole riduzione dei costi ha permesso alla NASA di liberare risorse che potrebbero essere reinvestite in altri aspetti critici della missione, come lo sviluppo di strumentazione scientifica all’avanguardia o l’estensione della durata delle operazioni scientifiche una volta che Europa Clipper avrà raggiunto il sistema di Giove.

Oltre al costo, la disponibilità del lanciatore è stata una preoccupazione fondamentale per la NASA. Con il programma Artemis che, secondo i piani di qualche anno fa, avrebbe dovuto assorbire una parte significativa dei lanci di SLS nei prossimi anni, c’era il rischio concreto che Europa Clipper subisse ritardi significativi nell’attesa di un vettore disponibile. Questa incertezza nella sequenza di lancio di SLS ha reso l’opzione Falcon Heavy più attraente, garantendo un lancio tempestivo entro la finestra di lancio desiderata.

Un ulteriore aspetto critico considerato dalla NASA è stata la differenza nelle caratteristiche vibrazionali tra i due lanciatori. I booster a razzo solido impiegati da SLS generano livelli di vibrazione sostanzialmente più elevati durante il lancio rispetto al Falcon Heavy. Queste intense vibrazioni avrebbero potuto potenzialmente danneggiare i sensibili strumenti scientifici e i sistemi di Europa Clipper. La NASA ha stimato che adattare la sonda per resistere all’ambiente vibratorio più aggressivo di SLS avrebbe comportato un costo aggiuntivo di circa un miliardo di dollari. Evitare questa spesa imprevista per la mitigazione delle vibrazioni ha ulteriormente rafforzato la posizione del Falcon Heavy come scelta più pragmatica.

In sintesi, la decisione della NASA di affidare Europa Clipper al Falcon Heavy è stata guidata da un’approfondita valutazione dei compromessi tra prestazioni, vincoli di bilancio e potenziali rischi. La combinazione di un costo significativamente inferiore, una maggiore sicurezza nella disponibilità e una migliore compatibilità con i requisiti tecnici della sonda ha reso il Falcon Heavy la scelta più logica per questa ambiziosa missione.

La traiettoria

Europa Clipper impiegherà circa 5,5 anni per viaggiare dalla Terra a Giove, con l’arrivo previsto nel 2030. Per raggiungere la sua destinazione in modo efficiente in termini di consumo di carburante, la sonda spaziale sfrutterà la tecnica della fionda gravitazionale, una tecnica comune nelle missioni interplanetarie.

Europa Clipper effettuerà un sorvolo di Marte il 28 febbraio 2025 a una quota di 1.040 km dalla superficie marziana, e un sorvolo ravvicinato della Terra il 2 dicembre 2026, a 3.138 km di quota. Il sorvolo della Terra non è più un evento privo di rischi, con i detriti spaziali accumulati nel corso degli anni dell’esplorazione spaziale va tenuto conto anche di questo fattore di rischio. La maggior parte degli oggetti artificiali, detriti e satelliti attivi, sono entro l’orbita geostazionaria. Europa Clipper trascorrerà 222 minuti entro 40.000 km dalla Terra poco dopo il lancio e fino a 278 minuti entro il raggio dell’orbita geostazionaria (GEO) durante il sorvolo della Terra.

L’arrivo di Europa Clipper nel sistema gioviano è previsto per il 10 aprile 2030. La sonda dovrà eseguire una serie di complesse manovre per inserirsi nell’orbita desiderata attorno a Giove e prepararsi alla sua missione scientifica. La manovra di inserimento nell’orbita di Giove (JOI) è la prima e più critica fase di cattura. La JOI comprende un’accensione del motore principale della durata di circa 3 ore, progettata per consentirle di essere catturata dalla gravità di Giove. Per ridurre la quantità di carburante necessaria per la JOI, Europa Clipper sfrutterà un flyby di Ganimede, il satellite più grande di Giove. Il flyby di Ganimede, che avverrà circa 12 ore prima della JOI, fornirà un assist gravitazionale che imprimerà alla sonda una variazione di velocità (∆v) di circa 400 m/s.

L’orbita di cattura iniziale avrà un periodo di circa 202 giorni, un valore estremamente elevato per essere utile alla missione. La sonda non orbiterà mai Europa, ma orbiterà sempre attorno a Giove e farà visite frequenti a Europa. Dopo la cattura, Europa Clipper entrerà in una fase denominata pump down, caratterizzata da una serie di manovre per ridurre il periodo orbitale e raggiungere la configurazione finale per la fase scientifica. Durante la fase di pump down, Europa Clipper effettuerà una serie di flyby dei satelliti galileiani, tra cui Ganimede ed Europa. Questi flyby forniranno ulteriori opportunità per l’assist gravitazionale e consentiranno di raccogliere dati scientifici preliminari. L’obiettivo finale della fase di pump down è raggiungere una risonanza orbitale 4:1 con Europa. Ciò significa che per ogni orbita di Europa Clipper attorno a Giove, Europa completerà quattro orbite. Questa risonanza permetterà a Europa Clipper di effettuare circa 45 flyby di Europa ad altitudini variabili durante la sua missione scientifica, offrendo numerose opportunità per studiare in dettaglio la luna. L’inserimento in orbita scientifica è previsto per il 17 giugno 2031.

Gli strumenti

Europa Clipper è equipaggiata con una serie di strumenti scientifici avanzati per studiare l’interno, la composizione, la geologia e l’abitabilità di Europa. Ha uno strumento per l’analisi diretta, il SUrface Dust Analyzer (SUDA). Raccoglie e analizza la polvere presente nei dintorni di Europa, fornendo informazioni sulla composizione della superficie e potenziali pennacchi di vapore acqueo.

Possiede poi gli strumenti di telerilevamento, tipici di ogni orbiter, e personalizzati per questa missione:

• Europa Thermal Emission Imaging System (E-THEMIS): misura la temperatura della superficie di Europa per identificare aree di attività geologica, come pennacchi o laghi sotterranei. Fornisce anche dati sulla struttura e sui materiali superficiali.
• Mapping Imaging Spectrometer for Europa (MISE): utilizza la spettroscopia nell’infrarosso per identificare e mappare la distribuzione di composti organici, sali, acqua e altri materiali sulla superficie di Europa.
• Europa Imaging System (EIS): è composto da due telecamere ad alta risoluzione per mappare la superficie di Europa. La Wide-Angle Camera (WAC) fornisce immagini panoramiche, mentre la Narrow-Angle Camera (NAC) si concentra su aree specifiche con una risoluzione fino a 0,5 metri per pixel.
• Europa Ultraviolet Spectrograph (Europa-UVS): rileva la luce ultravioletta per studiare la composizione dell’atmosfera di Europa e cercare pennacchi di vapore acqueo.
• Europa Clipper Magnetometer (ECM): utilizza tre sensori di flusso magnetico per caratterizzare il campo magnetico di Europa. I dati di ECM aiutano a confermare l’esistenza dell’oceano sotterraneo, determinarne la profondità e la salinità, e studiare lo spessore della crosta ghiacciata.
• Plasma Instrument for Magnetic Sounding (PIMS): misura il plasma che circonda Europa per caratterizzare i campi magnetici generati dalle correnti di plasma. I dati di PIMS, in combinazione con quelli di ECM, contribuiscono a determinare lo spessore della crosta ghiacciata, la profondità dell’oceano e la sua salinità.
• Radar for Europa Assessment and Sounding: Ocean to Near-surface (REASON): utilizza un radar a penetrazione di ghiaccio per studiare la struttura interna della crosta ghiacciata di Europa e cercare laghi sotterranei.
• Gravity/Radio Science: utilizza il sistema di telecomunicazioni di Europa Clipper per misurare il campo gravitazionale di Europa e studiarne la struttura interna e l’oceano sotterraneo.
• Mass Spectrometer for Planetary Exploration (MASPEX): analizza la composizione dell’atmosfera e dei pennacchi di vapore acqueo, cercando la presenza di molecole organiche e altri elementi essenziali per la vita.

La missione

La missione Europa Clipper è stata progettata con un obiettivo primario: determinare l’abitabilità di Europa. Europa è considerata uno degli ambienti più promettenti nel sistema solare per ospitare la vita, grazie alla presenza di un vasto oceano di acqua salata sotto la sua crosta ghiacciata.
Per valutare l’abitabilità di Europa, la missione si concentrerà su tre requisiti fondamentali per la vita: acqua liquida, elementi chimici essenziali ed energia.

Europa Clipper cercherà di confermare l’esistenza e studiare le caratteristiche dell’oceano sotterraneo. Gli strumenti a bordo mapperanno lo spessore e la struttura della crosta ghiacciata, identificheranno eventuali laghi subglaciali e analizzeranno i pennacchi di vapore acqueo che potrebbero eruttare dalla superficie. La sonda analizzerà la composizione della superficie di Europa, cercando la presenza di composti organici, sali e altri elementi chimici essenziali per la vita. I dati raccolti aiuteranno a capire se l’oceano di Europa possiede gli ingredienti necessari per sostenere forme di vita. Studierà anche i processi geologici che potrebbero fornire energia all’oceano sotterraneo, come il riscaldamento mareale causato dall’interazione gravitazionale con Giove e le altre lune galileiane. I dati raccolti aiuteranno a comprendere se l’oceano di Europa è un ambiente dinamico e ricco di energia, un altro fattore cruciale per l’abitabilità.

Oltre a questi obiettivi primari, Europa Clipper contribuirà anche alla selezione di un sito di atterraggio per una futura missione di lander su Europa. I dati raccolti dalla sonda aiuteranno a identificare le aree più promettenti per una futura esplorazione in situ della superficie e, possibilmente, dell’oceano di Europa. La missione Europa Clipper fornirà informazioni cruciali per ampliare la nostra comprensione degli “ocean world”, corpi celesti che ospitano oceani di acqua liquida sotto la superficie. Questo tipo di ambiente è considerato uno dei più promettenti per la ricerca di vita extraterrestre. Anche se non è una missione di rilevamento della vita, Europa Clipper ci aiuterà a capire se Europa è un luogo promettente per cercare una risposta alla domanda se siamo soli nell’universo.

Europa Clipper non cercherà direttamente la vita perché ancora non esiste la tecnologia per riconoscere organismi che non si basano sul DNA o che utilizzano biochimiche alternative. Esiste infatti anche una teoria di biosfera ombra, un concetto affascinante e un po’ misterioso nel campo della astrobiologia. In sostanza, si riferisce all’idea che potrebbero esistere forme di vita sulla Terra completamente diverse da quelle che conosciamo e che siamo in grado di identificare con le nostre attuali tecnologie e conoscenze.

Fonti:

• The NASA Roadmap to Ocean Worlds
• The Europa Clipper OPAG Update
• Europa Clipper Press Kit
• Europa Clipper Mission Analysis: Pump Down Trajectory Design