Il prossimo grande problema ambientale del mondo potrebbe venire dallo spazio

Per evitare che diventino spazzatura spaziale, gli operatori dei satelliti inviano i veicoli spaziali a bruciare nell’atmosfera al termine della missione. L’impatto ambientale è ancora incerto.

Una domenica mattina presto di settembre, un gruppo di 12 ricercatori affaticati dal sonno e dal jet-lag si è riunito nell’aeroporto più remoto del mondo. Lì, sull’Isola di Pasqua, a circa 2.330 miglia dalla costa del Cile, si stavano preparando per un inseguimento unico nel suo genere: una corsa per catturare gli ultimi istanti di un satellite mentre cadeva dallo spazio e bruciava in cenere nel cielo.

Quel veicolo spaziale era Salsa, uno dei quattro satelliti che facevano parte della costellazione Cluster dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA). Salsa e i suoi omologhi studiavano il campo magnetico terrestre dall’inizio degli anni 2000, ma la sua missione era ormai conclusa. Mesi prima, il veicolo spaziale era stato avviato a una spirale di morte che si sarebbe conclusa con una disintegrazione incandescente in alto nell’atmosfera terrestre, a circa mille miglia dalla costa dell’Isola di Pasqua.

Ora, gli scienziati erano pronti a catturare questo rientro mentre avveniva. Dotati di calcoli precisi della traiettoria forniti dal controllo a terra dell’ESA, i ricercatori sono decollati a bordo di un business jet a noleggio, con 25 telecamere e spettrometri montati sui finestrini. La speranza era quella di poter raccogliere preziose informazioni sui processi fisici e chimici che si verificano quando i satelliti bruciano mentre cadono sulla Terra al termine delle loro missioni.

I ricercatori hanno potuto monitorare il rientro di Cluster Salsa da un jet d’affari a noleggio.

Questo tipo di studio sta diventando sempre più urgente. Circa 15 anni fa, appena un migliaio di satelliti orbitava intorno al nostro pianeta. Ora il numero è salito a circa 10.000 e, con l’aumento delle costellazioni di satelliti come Starlink, si prevede un’ulteriore decuplicazione entro la fine di questo decennio. Lasciare che questi satelliti brucino nell’atmosfera alla fine della loro vita aiuta a mantenere la quantità di spazzatura spaziale al minimo. Ma così facendo si deposita cenere satellitare negli strati intermedi dell’atmosfera terrestre. Questa cenere metallica può danneggiare l’atmosfera e potenzialmente alterare il clima. Gli scienziati non sanno ancora quanto grave sarà il problema nei prossimi decenni.

Le ceneri dei rientri contengono sostanze che danneggiano l’ozono. Studi modellistici hanno dimostrato che alcuni dei suoi componenti possono anche raffreddare la stratosfera terrestre, mentre altri possono riscaldarla. Alcuni temono che le particelle metalliche possano addirittura disturbare il campo magnetico terrestre, oscurare la vista dei satelliti di osservazione della Terra e aumentare la frequenza dei temporali.

“Dobbiamo vedere che tipo di fisica si svolge lassù”, afferma Stijn Lemmens, analista senior dell’ESA che ha supervisionato la campagna. “Se ci sono più oggetti [rientranti], ci saranno più conseguenze”.

Una comunità di scienziati dell’atmosfera sparsi in tutto il mondo attende i risultati di queste misurazioni, sperando di colmare le principali lacune nella loro comprensione.

Il rientro di Salsa è stata solo la quinta campagna di osservazione di questo tipo nella storia del volo spaziale. Le campagne precedenti, tuttavia, hanno tracciato oggetti molto più grandi, come uno stadio superiore di 19 tonnellate di un razzo Ariane 5.

Cluster Salsa, con i suoi 550 chilogrammi, era piuttosto piccolo in confronto. E questo lo rende di particolare interesse per gli scienziati, perché sono i veicoli spaziali di queste dimensioni che affolleranno sempre più l’orbita terrestre nei prossimi anni.

Il lato negativo delle mega-costellazioni

La maggior parte della crescita prevista del numero di satelliti dovrebbe provenire da satelliti più o meno delle stesse dimensioni di Salsa: singoli membri di mega-costellazioni, progettati per fornire servizi Internet con velocità e latenza decenti a chiunque, ovunque.

Starlink di SpaceX è il più grande di questi. Attualmente composta da circa 6.500 satelliti, la flotta dovrebbe arrivare a oltre 40.000 nel 2030. Altre mega-costellazioni, tra cui Amazon Kuiper, la francese E-Space e i progetti cinesi G60 e Guowang, sono in fase di realizzazione. Ognuna di esse potrebbe comprendere diverse migliaia di satelliti, o addirittura decine di migliaia.

Gli sviluppatori di mega-costellazioni non vogliono che le loro navicelle volino per due o tre decenni come le loro controparti della vecchia scuola, finanziate dal governo. Vogliono sostituire questi router internet orbitanti con tecnologie più recenti e migliori ogni cinque anni, rispedendo i vecchi nell’atmosfera a bruciare. I razzi necessari per lanciare tutti questi satelliti emettono il loro cocktail di sostanze contaminanti (e anche i loro stadi superiori finiscono la loro vita bruciando nell’atmosfera).

La quantità di detriti spaziali che si vaporizzano nell’atmosfera terrestre è più che raddoppiata negli ultimi anni, afferma Jonathan McDowell, un astronomo dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics che ha costruito una seconda carriera come leader nel monitoraggio dei detriti spaziali…

“Un tempo vedevamo rientrare circa 50-100 stadi di razzi all’anno”, afferma. “Ora ne vediamo 300 all’anno”.

Nel 2019, circa 115 satelliti sono bruciati nell’atmosfera. A fine novembre, il 2024 aveva già stabilito un nuovo record con 950 rientri di satelliti, secondo McDowell.

La massa di spazzatura spaziale vaporizzata continuerà a crescere in linea con le dimensioni delle flotte satellitari. Entro il 2033, potrebbe raggiungere le 4.000 tonnellate all’anno, secondo le stime presentate in occasione del workshop Protecting Earth and Outer Space from the Disposal of Spacecraft and Debris, tenutosi a settembre presso l’Università di Southampton, nel Regno Unito.

La maggior parte delle ceneri prodotte da questi rientri rimarrà sospesa nella sottile aria della media atmosfera per decenni, forse secoli. Ma acquisire dati precisi sul burn-up dei satelliti è quasi impossibile, perché avviene in un territorio troppo alto per essere misurato dai palloni meteorologici e troppo basso per gli strumenti di scandaglio a bordo dei satelliti in orbita. Il massimo che gli scienziati possono ottenere è il telerilevamento degli ultimi istanti di un satellite.

Cambiamento della chimica

Nessuno dei ricercatori a bordo del jet d’affari trasformato in laboratorio scientifico decollato dall’Isola di Pasqua a settembre ha potuto vedere il momento in cui Cluster Salsa è esploso in una palla di fuoco sopra le acque profonde e scure dell’Oceano Pacifico. Alla luce del giorno, la fugace esplosione è apparsa vivida come la luna piena di mezzogiorno. I finestrini dell’aereo, tuttavia, erano coperti da un tessuto scuro (per evitare che la luce riflessa dall’interno alterasse le misurazioni), permettendo solo agli obiettivi della fotocamera di sbirciare all’esterno, spiega Jiří Šilha, amministratore delegato della slovacca Astros Solutions, un’azienda che sviluppa nuove tecniche per il monitoraggio dei detriti spaziali e che ha coordinato la campagna di osservazione.

“Eravamo a circa 300 chilometri di distanza quando è successo, abbastanza lontani per evitare di essere colpiti da eventuali detriti”, racconta Šilha. “È tutto molto veloce. L’oggetto rientra a una velocità molto elevata, circa 11 chilometri al secondo, e si disintegra da 80 a 60 chilometri sopra la Terra”.

Gli strumenti hanno raccolto misure della disintegrazione nella parte visibile e vicina all’infrarosso dello spettro luminoso, comprese osservazioni con filtri speciali per rilevare elementi chimici come alluminio, titanio e sodio. I dati aiuteranno gli scienziati a ricostruire il processo di disgregazione del satellite, elaborando le altitudini a cui avviene l’incenerimento, le temperature a cui si verifica e la natura e la quantità dei composti chimici che rilascia.

I resti polverosi del Cluster Salsa hanno ormai iniziato la loro piacevole deriva attraverso la mesosfera e la stratosfera, gli strati atmosferici che si estendono rispettivamente ad altitudini comprese tra 31 e 53 miglia e tra 12 e 31 miglia. Nel corso della loro discesa decennale, queste particelle di cenere interagiranno con i gas atmosferici, causando problemi, afferma Connor Barker, ricercatore in modellistica chimica atmosferica presso l’University College di Londra e autore di un inventario dell’inquinamento atmosferico via satellite pubblicato all’inizio di ottobre sulla rivista Scientific Data.

I corpi dei satelliti e gli stadi dei razzi sono per lo più fatti di alluminio, che brucia in ossido di alluminio, o allumina, una sostanza bianca e polverosa nota per contribuire alla riduzione dell’ozono. L’allumina riflette anche la luce del sole, il che significa che potrebbe alterare la temperatura degli strati atmosferici più alti.

“Nelle nostre simulazioni, iniziamo a vedere un riscaldamento nel tempo degli strati superiori dell’atmosfera che ha diversi effetti a catena sulla composizione dell’atmosfera”, spiega Barker.

Ad esempio, alcuni modelli suggeriscono che il riscaldamento potrebbe aggiungere umidità alla stratosfera. Questo potrebbe esaurire lo strato di ozono e causare un ulteriore riscaldamento, che a sua volta provocherebbe un’ulteriore riduzione dell’ozono.

L’estrema velocità di rientro dei satelliti produce anche “un’onda d’urto che comprime l’azoto nell’atmosfera e lo fa reagire con l’ossigeno, producendo ossidi di azoto”, afferma McDowell. Anche gli ossidi di azoto danneggiano l’ozono atmosferico. Attualmente, il 50% della riduzione dell’ozono causata dalle combustioni dei satelliti e dai lanci dei razzi deriva dagli effetti degli ossidi di azoto. Anche la fuliggine prodotta dai razzi altera l’equilibrio termico dell’atmosfera.

Per certi versi, l’inquinamento atmosferico ad alta quota non è una novità. Ogni anno, circa 18.000 tonnellate di meteoriti vaporizzano nella mesosfera. Anche tra 10 anni, se tutte le mega-costellazioni previste verranno sviluppate, la quantità di roccia spaziale naturale che brucia durante la caduta sulla Terra supererà di cinque volte la quantità di spazzatura spaziale incenerita.

Questo, tuttavia, non è di conforto per ricercatori come McDowell e Barker. I meteoriti contengono solo tracce di alluminio e la loro disintegrazione atmosferica è più rapida, il che significa che producono meno ossido di azoto, dice Barker.

“La quantità di ossidi di azoto che stiamo ottenendo [dai rientri dei satelliti e dai lanci dei razzi] è già all’estremità inferiore delle nostre stime annuali sulle emissioni naturali di ossidi di azoto [dai meteoriti]”, ha detto Barker. “È certamente una preoccupazione, perché presto potremmo alterare l’atmosfera più di quanto avviene naturalmente”.

La quantità annuale di allumina proveniente dai rientri dai satelliti si avvicina già a quella derivante dai meteoriti inceneriti. Secondo gli attuali scenari peggiori, il contributo umano di questo inquinante sarà 10 volte superiore a quello delle fonti naturali entro il 2040.

Impatto sulla Terra?

Cosa significa esattamente tutto questo per la vita sulla Terra? A questo punto, nessuno lo sa con certezza. Gli studi che si concentrano sui vari componenti del cocktail di inquinamento atmosferico prodotto dall’attività dei satelliti e dei razzi si susseguono a ritmo costante.

Secondo Barker, i modelli computerizzati indicano che l’attuale contributo dell’industria spaziale alla riduzione complessiva dell’ozono è pari a un minuscolo 0,1%. Ma quanto questa quota crescerà tra 10, 20 o 50 anni, nessuno lo sa. Ci sono troppe incertezze in questa equazione, tra cui le dimensioni delle particelle – che influiscono sul tempo necessario per l’abbattimento – e il rapporto tra particelle e sottoprodotti gassosi.

“Dobbiamo decidere, come società, se dare la priorità alla riduzione del traffico spaziale o alla riduzione delle emissioni”, afferma Barker. “Molti di questi tassi di rientro aumentati sono dovuti al fatto che la comunità globale sta facendo un ottimo lavoro di pulizia dei detriti spaziali in orbita bassa. Ma abbiamo davvero bisogno di capire l’impatto ambientale di queste emissioni per poter decidere quale sia il modo migliore per l’umanità di gestire tutti questi oggetti nello spazio”.

Il disastro del cambiamento climatico del 21° secolo è stato messo in moto quando l’umanità ha iniziato a bruciare combustibili fossili a metà del 19° secolo. Allo stesso modo, ci sono voluti 40 anni perché i clorofluorocarburi facessero un buco nello strato protettivo di ozono della Terra. La contaminazione della Terra da parte delle cosiddette “sostanze chimiche per sempre” – e delle sostanze polifluoroalchiliche utilizzate nella produzione di rivestimenti antiaderenti e schiume antincendio – è iniziata negli anni Cinquanta. Ricercatori come McDowell temono che la storia possa ripetersi ancora una volta.

“Le attività dell’umanità nello spazio sono diventate abbastanza grandi da influenzare l’ambiente spaziale in modo simile a come abbiamo influenzato gli oceani”, afferma McDowell. “Il problema è che stiamo apportando questi cambiamenti senza capire realmente a che punto questi cambiamenti diventeranno preoccupanti”.

Le precedenti campagne di osservazione hanno analizzato soprattutto la disintegrazione fisica dei satelliti in rientro. Con la costellazione Cluster, gli scienziati sperano di iniziare a svelare il lato chimico di questo elusivo processo. Per ricercatori come Barker, ciò significa ottenere finalmente dati che possano convalidare e migliorare ulteriormente i loro modelli. La costellazione Cluster offrirà altre tre opportunità per riempire gli spazi vuoti di questo puzzle ambientale quando i fratelli di Salsa rientreranno nel 2025 e nel 2026.

“Il bello di Cluster è che abbiamo quattro satelliti identici e di cui conosciamo ogni dettaglio”, spiega Šilha. “È il sogno di ogni scienziato, perché possiamo ripetere l’esperimento e imparare da ogni campagna precedente”.