#AESASpazio – MOONLIGHT – Illuminating the possibilities

L’Agenzia Spaziale Europea sta programmando una serie di missioni che inizieranno nella seconda parte di questo decennio e che vedono come protagonista la Luna. Negli ultimi anni abbiamo osservato diverse missioni dirigersi verso il nostro satellite: alcune hanno avuto successo ed altre no. Per riuscire ad eccellere nelle missioni future, le capacità di telecomunicazione dovranno essere massimizzate; tutto ciò sarà reso possibile da una rete di satelliti intorno alla Luna che renderà le comunicazioni più semplici, soprattutto per quelle dirette nelle regioni del satellite non visibili dalla Terra. Inoltre, al fine di rifornire gli astronauti durante le missioni Artemis, di condurre attività dimostrative di robotica autonoma sul suolo lunare e di riportare a terra nuovi campioni di regolite, sarà di fondamentale importanza prevedere un servizio di comunicazione e navigazione quanto più preciso e affidabile.
A tal proposito, il progetto Moonlight consentirà ad agenzie spaziali e aziende di diminuire la complessità delle missioni, aumentando, tra le altre cose, la trasmissione dei dati da parte degli utenti attraverso una rete di hub interconnessi e riducendo i costi di comunicazione.

La versione di prova del ricevitore di navigazione satellitare NaviMoon sarà testata a bordo del Lunar Pathfinder che dovrebbe essere lanciato entro la fine del 2022, mentre la missione vera e propria è prevista per il 2024. NaviMoon è stato progettato per eseguire le correzioni di posizionamento più lontane mai fatte, utilizzando segnali che saranno milioni di volte più deboli di quelli utilizzati dai nostri smartphone o automobili. Come affermato dagli esperti di navigazione lunare dell’ESA, una volta che il satnav sarà posizionato in orbita attorno alla Luna, permetterà di effettuare  il più lontano rilevamento di posizione della navigazione satellitare mai realizzato, a più di 400000 km di distanza con una precisione inferiore a 100 m. Ciò rappresenta una sfida ingegneristica straordinaria, perché a tale distanza i deboli segnali delle costellazioni Galileo e GPS di cui si fa uso saranno appena distinguibili dal rumore di fondo.

La rete di satelliti fornirà dunque segnali di navigazione che, grazie a radiofari locali, distribuiranno un servizio di posizionamento di alta precisione e alta disponibilità, permettendo alle missioni future di ridurre la complessità dei loro sistemi di navigazione a bordo, risparmiando in questo modo non solo sui costi, ma anche sul peso e lasciando quindi maggiore spazio alla strumentazione scientifica.

Grazie a Moonlight sarà quindi possibile guidare orbiter, lander, rover e riuscire a far atterrare le strumentazioni in un qualsiasi sito, supportando così la navigazione delle missioni di esplorazione umana e robotica della superficie lunare. L’infrastruttura lunare immaginata dal consorzio guidato da Telespazio e composto da diversi membri, tra i quali Thales Alenia Space, Argotec, Politecnico di Milano, sarà composta da stazioni lunari e terrestri e da una rete di satelliti. Il Centro Spaziale del Fucino di Telespazio avrà inoltre un ruolo essenziale di collegamento e coordinamento di tutti gli attori coinvolti. Ancora una volta, il Fucino conferma il suo rapporto speciale con la Luna iniziato nel luglio del 1969, quando le sue antenne trasmisero a milioni di telespettatori italiani le storiche immagini in diretta dell’allunaggio dell’Apollo 11, rimbalzate dal satellite Intelsat I (o Early Bird) quando in Europa erano solo quattro le stazioni in grado di ricevere il suo segnale e trasformarlo in quelle che diventarono delle sequenze iconiche.

Guardando alla tecnologia sviluppata ed utilizzata, i dettagli noti non sono molti. Sappiamo che il Lunar Pathfinder è stato costruito da Surrey Satellite Technology Ltd e che ha le dimensioni di una lavatrice; a bordo, tra i diversi dispositivi, troveremo il già citato NaviMoon dal peso di 1,4kg, posizionato accanto al trasmettitore principale che comunicherà con la Terrà nella banda X (dai 7 ai 12,5 GHz). Il segnale ricevuto da NaviMoon verrà confrontato con quello ottenuto nella banda X e con quello ottenuto da terra tramite misurazione laser e, secondo quanto affermato dall’ingegnere dell’ESA Pietro Giordano, per la prima volta queste tre tecniche di indagine verranno utilizzate contemporaneamente al fine di riuscire a guidare autonomamente le missioni sulla Luna senza nessun aiuto da terra. Il fiore all’occhiello di Moonlight riguarda una soluzione inusuale, ma ottimale. In generale i satnav sono progettati per trasmettere verso la Terra, motivo per cui le antenne sono sempre rivolte verso il nostro pianeta. Per trasmettere verso la Luna utilizzando i satelliti Galileo è comunque disponibile una “frazione” di segnale più debole detta “side lobe signal”, che per intenderci è paragonabile alla luce che fuoriesce dai lati di una torcia; inoltre, per via della distanza dalla Luna, tale segnale viene attenuato ancora di più. Questo tipo di segnale è effettivamente utilizzabile, ma solo dopo una precisa elaborazione dei dati effettuata dai migliori specialisti. A tal proposito è stato sviluppato un amplificatore volto a minimizzare il rumore di fondo per aumentare i segnali utilizzabili. L’amplificatore- sviluppato da European Engineering & Consultancy, ECCL- è un diplexer personalizzato di fascia alta che copre le bande del navigatore satellitare a doppia frequenza, sintonizzato manualmente e incorpora la tecnologia del dissipatore di calore per ridurre ulteriormente il rumore indesiderato.

Insieme all’estrema sensibilità richiesta, l’altro grosso problema è che dalla Luna tutti i satelliti del navigatore si trovano nella stessa geometria del cielo attorno alla Terra, ruotando periodicamente fuori dalla vista. La soluzione che SpacePNT ha escogitato sfrutta oltre mezzo secolo di esplorazione lunare. L’azienda ha installato nel ricevitore un software che tiene conto di tutte le forze che agiscono sul satellite, comprese l’azione gravitazionale della Luna, della Terra, del Sole e dei pianeti, nonché della leggerissima spinta dovuta alla pressione della radiazione solare, dell’errore di clock e della direzione del segnale radio. In questo modo, quando il satnav sperimenta una data accelerazione, il ricevitore può determinare in quale punto particolare della sua orbita si trovi. Di solito un ricevitore satellitare ha bisogno dei segnali di quattro satelliti per fissare la sua posizione, ma con questo approccio anche meno di quattro segnali sono sufficienti per ottenere informazioni utili, costringendo il modello a ridurre al minimo qualsiasi errore.

Il progetto Moonlight si propone dunque di posizionare inizialmente da tre a quattro satelliti in orbita lunare, offrendo almeno cinque ore consecutive di servizio in 24 ore, con una particolare attenzione rivolta verso il polo sud lunare, dove sono pianificate la maggior parte delle prossime missioni lunari. Il sistema è concepito per essere espandibile e l’idea è di allargare progressivamente la costellazione. Ciò consentirà una copertura completa su tutta la superficie lunare e un’eccellente precisione. Sarà dunque un grande passo sia per l’Europa che per il prossimo futuro dell’esplorazione spaziale.


Fonti:
https://www.esa.int/Applications/Navigation/The_Moon_where_no_satnav_has_gone_before
https://www.telespazio.com/it/programmes/moonlight