Progresso scientifico, tecnologico ed esplorazione spaziale

Il progresso scientifico e tecnologico degli ultimi 50 anni ha portato a molteplici cambiamenti nella vita umana e nel rapporto dell’uomo con il nostro pianeta.
Il numero e la complessità dei mutamenti a cui si è assistito nel XX secolo è tale da rendere complessa un’analisi che voglia cercare di separare ed evidenziare i rapporti esistenti tra scoperte scientifiche, le loro applicazioni pratiche ed il  loro impatto nella società umana, vincolata da leggi economiche e politiche ben diverse da quelle che guidano o dovrebbero guidare lo sviluppo scientifico. 
L’esplorazione spaziale rappresenta un capitolo della storia umana in cui è forse più semplice tentare di studiare i rapporti tra queste forze governate da leggi molto diverse. Infatti, i vincoli da rispettare nel porre apparati (con o senza l’uomo) al di fuori dell’atmosfera terrestre sono tali da non consentire troppe “variazioni sul tema” nella realizzazione di questi sistemi.
Il maggior ostacolo al volo spaziale è vincere la forza di  gravità:  la forza gravitazionale è solo attrattiva ¹ , per cui, al momento, l’unico modo per  poter porre in orbita un qualunque oggetto è sfruttare il principio di azione e reazione costruendo un razzo.
Il principio fisico di azione e reazione, noto da più di 500 anni, è di una semplicità estrema: in assenza di attrito, ad esempio su un lago ghiacciato, se lancio una palla mi sposto nel verso opposto a quello in cui ho lanciato la palla. Lanciando moltissime palline (in questo caso un gas) ad alta velocità verso il basso è possibile spingere un oggetto verso l’alto ed impartirgli una velocità sufficiente a metterlo in orbita  facendogli vincere l’attrazione gravitazionale terrestre ² .
L’implementazione tecnologica di questo principio è tuttavia di una complessità estrema: dalle prime idee sull’uso di questo principio da parte del russo Tsiolkovsky [8] alla fine del XIX secolo e dai primi tentativi dell’americano Goddard agli inizi del 1900, sono stati necessari  più di 50 anni  per giungere al lancio del primo satellite  artificiale (1957, Sputnik) ed al primo uomo nello spazio (1961, Gagarin, Vostok 1 ).
Lo sviluppo di razzi spaziali ha richiesto enormi investimenti, tentativi e, invevitabilmente, fallimenti affinché si riuscisse a realizzare sistemi affidabili con cui lanciare il prezioso carico nello spazio. L’uso di razzi, pur essendo l’unico sistema possibile, risulta comunque altamente inefficiente: il rapporto massa su carico utile nello Shuttle è dell’1%: ossia,  per ogni kg di materiale che deve raggiungere lo spazio è necessario bruciarne 100 kg di combustibile. 
Negli anni sono stati fatti notevoli progressi nell’efficienza dei motori, nello sviluppo di sistemi a più stadi  e nei sistemi di guida  ma non è stato possibile in alcun modo aggirare il muro della propulsione convenzionale che utilizza combustibile chimico ³ . Questo si traduce in una forte limitazione sul carico utile trasportabile (il massimo è stato di 76 tonnellate nel caso dello Skylab) e dunque sul numero degli astronauti e sulle loro condizioni di vita nello spazio. Un carico utile limitato implica anche una minore quantità di strutture in grado di far meglio sopportare agli astronauti l’assenza di gravità traducendosi in una peggiore qualità di lavoro e di permanenza a lungo termine nello spazio. Ampie stazioni in grado di simulare la gravità tramite la rotazione richiederebbero un grosso numero di lanci e sono, dunque, ancora irrealizzabili per motivi tecnici e soprattutto di costo.
Vi è, poi, il pericolo delle radiazioni dovute ai raggi cosmici di origine galattica e solare. I raggi cosmici sono per lo più protoni di altissima energia in grado di penetrare lo scafo delle capsule spaziali e, potenzialmente, danneggiare sia la strumentazione elettronica che il corpo umano. Se in orbita terrestre gli astronauti sono protetti dal campo geomagnetico, in grado di deflettere la maggior parte di queste particelle, nei voli sulla Luna l’unica schermatura possibile era costituita dallo scafo delle capsule Apollo. Le missioni lunari erano di breve durata, 2 settimane al massimo e, dunque, la dose di radiazioni assorbita era trascurabile ³⁴ . 
Nonostante queste complesse limitazioni, la seconda metà del XX secolo ha visto l’uomo lasciare la Terra non una ma due volte, seguendo due strade simili ma ben distinte a seguito dello sviluppo tecnologico della “corsa allo spazio” da parte dei  due blocchi che si fronteggiavano nella guerra fredda.
E’ interessante notare come le strade percorse dai due concorrenti per raggiungere lo spazio sono  molto diverse per metodo, implementazione ed applicazione dei principi fisici ed ingegneristici: esse rispecchiano la  diversa forma mentis dei concorrenti nonché la loro diversa struttura politica ed economica ⁵ . Se la scienza missilistica mosse i primi passi  pratici sotto la guida di Von Braun nella Germania nazista per le sue  immediate applicazioni militari, dopo la Seconda Guerra Mondiale lo sviluppo missilistico  proseguì in parallelo negli Stati Uniti  e nell’Unione Sovietica.
Sotto la guida di Sergei Korolev - capo progettista del programma spaziale sovietico e realizzatore di tutte le capsule spaziali utilizzate sino ad oggi dai russi - l’Unione Sovietica riuscì a battere  gli Stati Uniti nella realizzazione del primo satellite artificiale e nel lancio del  primo uomo nello spazio. Lo Sputnik-1 (che in russo significa satellite) venne posto in orbita nell’ottobre 1957 mentre, dopo una serie di ritardi e lanci falliti, l’Explorer-1 statunitense venne lanciato nel gennaio 1958. Nel 1961 Yuri Gagarin fu il primo uomo raggiungere lo spazio ed ad orbitare la Terra a bordo di una Vostok. 
Il ritardo iniziale degli Stati Uniti è da attribuirsi ad una forte competizione tra le varie armi dell’esercito che fece sì che vi fossero due programmi concorrenziali di sviluppo missilistico.
I problemi di sviluppo  proseguirono anche nella realizzazione del programma spaziale umano. Il primo statunitense nello spazio, Alan Shepard, si dovette accontentare di un volo suborbitale ⁶ . Al tempo i ritardi di qualche mese tra i lanci sovietici e statunitensi  furono pubblicizzati come primati di una tecnologia (e dunque di un’ideologia) sull’altra. Ma, per quanto interminabili potessero sembrare agli addetti del programma spaziale statunitense, col senno di poi sono   trascurabili in quello che può essere considerato come uno sviluppo parallelo dei due programmi spaziali.
In entrambi i programmi spaziali vi era una distinzione tra missioni umane e non: le prime volte al raggiungere una presenza più o meno stabile in orbita per motivi strategici;  le seconde dirette all’esplorazione della Luna e degli altri pianeti.
In queste prime fasi dell’esplorazione spaziale, i sistemi di lancio erano relativamente rudimentali e fondamentalmente simili fra loro, anche in quanto entrambi eredi delle V2 tedesche. E’  però possibile rintracciare approcci e soluzioni fondamentalmente diverse tra russi ed americani: ad esempio, il sistema di rientro dei primi consiste in un ammaraggio mentre l’Unione Sovietica,   più povera di coste, preferisce   un (decisamente più duro) rientro  sulla terraferma.
Nel caso dei satelliti spia, gli americani preferirono lanciare un numero inferiore di satelliti relativamente più sofisticati e dalla vita operativa più lunga. Vennero poi sviluppati sistemi di trasmissione e codifica  per trasmettere a terra le immagini raccolte dallo spazio. I sovietici, in grado di effettuare una produzione in serie di missili con costi più contenuti, lanciarono un numero molto maggiore di satelliti, tecnologicamente  più semplici, che rimpiazzarono continuamente ⁷ . Le pellicole fotografiche contenenti le immagini erano, quindi, lanciate a terra in speciali capsule. 
Gli anni ’60 furono  testimoni della corsa alla Luna: dopo la prima storica foto della faccia nascosta della Luna nel 1959 (missione russa Luna-2) giunse l’annuncio di Kennedy che, nel 1961, promise di far giungere un uomo sulla Luna prima della fine del decennio [3].
 In questa nuova “gara” fu l’URSS ad avere la peggio: il primato del volo umano attorno alla Luna spetta all’Apollo 8 nel dicembre 1968 e Neil Armstrong scese sulla Luna il 21 luglio del 1969.                 Le ragioni del fallimento sovietico  sono molteplici: anzitutto un budget   inferiore a quello americano e la prematura morte di Korolev nel 1966 che  privò il programma spaziale di una delle figure chiave. La causa principale è, però, da attribuirsi alla forte rivalità tra i vari dipartimenti ed i vari progetti coesistenti nell’apparato sovietico.
Questa rivalità e duplicazione di sforzi e spese risale ai primi tempi dell’avventura spaziale sovietica: già nel 1959 Korolev propose a Khrushchev di riorganizzare ed unificare i vari settori  di ricerca e sviluppo, ricevendo una risposta negativa. Questo problema di ridondanza, non problematico nelle precedenti esperienze spaziali, risultò catastrofico in assenza di un leader carismatico e competente come Korolev nel caso del programma lunare. A differenza di quanto avvenuto in precedenza, non vi fu un secondo posto nella classifica della corsa lunare: i sovietici cancellarono il programma umano dopo il successo delle missioni Apollo e ne negarono l’esistenza sino al 1989. Il motivo di questa scelta è da ricercarsi negli alti costi del programma ma, soprattutto, nella differente natura delle missioni lunari: per la loro distanza dalla Terra queste erano a carattere unicamente scientifico e di propaganda, mancando di ogni  elemento di vantaggio  strategico/militare legato allo stabilire una permanenza umana (eventualmente armata) in orbita terrestre.
Il ruolo politico avuto nel veloce sviluppo della missilistica ebbe anche la responsabilità di molti   incidenti: nel 1967 il cosmonauta Vladimir Komarov si schiantò al suolo nel volo della Soyuz-1. Il paracadute principale non si aprì e quello di emergenza  si impigliò in quello principale ⁸ ; nel 1971 i cosmonauti Dobrovolsky, Volkov e Patsaev morirono per asfissia a causa di un condotto rimasto aperto al momento del distacco tra la Soyuz-11 in cui si trovavano e la prima Salyut ⁹ [4].
Nonostante queste tragedie il programma spaziale sovietico si concentrò verso la realizzazione di stazioni spaziali in grado di sostenere per lungo tempo la permanenza dell’uomo: gli anni 60-70 videro  la nascita delle  prime Salyut con la messa a punto del sistema di agganciamento con le capsule Soyuz. Questo sistema fu poi perfezionato nella realizzazione della  stazione spaziale Mir.
Lanciata nel maggio 1986,  con aggiunte nel corso degli anni successivi, la Mir vide la   nascita di un periodo di collaborazione tra le due potenze spaziali. Furono effettuate varie missioni congiunte, in cui lo Shuttle si agganciò alla Mir.
La vita operativa della Mir fu di gran lunga superiore a quella prevista; la stazione sopravvisse al tramonto dell’era sovietica, ad una collisione con il cargo Progress, ad un incendio ed ad altri incidenti di minore entità per rientrare nell’atmosfera nel marzo 2001.
Va sottolineato, come, a differenza di quanto accaduto negli USA con lo sviluppo dello Shuttle, l’approccio sovietico allo spazio non è mutato dagli anni ’70: basti notare che  il disegno base della Soyuz per il trasporto di un equipaggio umano è quello tuttora utilizzato per raggiungere la Stazione Spaziale Internazionale ¹⁰ . Alla Soyuz si affianca la Progress, simile ad essa ma dedicata al trasporto di cargo. Anche i lanciatori sono rimasti essenzialmente immutati: la Soyuz viene lanciata dalla base di Baikonur (Kazakistan) con un sistema che risale essenzialmente agli anni ’70. Lo stesso si può dire per i razzi Proton e Cosmos, questi ultimi lanciati dalla base a nord di Plesetsk. La Russia  continua a raggiungere lo spazio utilizzando dei sistemi di lancio prevalentemente elettromeccanici e provati nel tempo: alcune rampe di lancio hanno visto più di 400 lanci nel corso della loro storia. 
Nonostante i suoi record di permanenza nello spazio, la Mir ed i suoi guasti furono  erroneamente indicati come il simbolo della decadente potenza spaziale sovietica. Piuttosto che considerare la sua incredibile storia scientifica e tecnologica ed il suo costo relativamente ridotto in rapporto a budget previsti per missioni simili ¹¹ si pose l’enfasi sui suoi problemi. Il concetto che nuovo sia sinonimo di  migliore o più affidabile è un concetto errato che ha origine nella cultura recente, legata a spinte  di tipo economico-consumistico.  L’attuale spinta verso oggetti  sempre più sofisticati è solo in parte dettata da un’effettiva evoluzione delle necessità del pubblico e  per lo più è guidata da leggi di mercato che nulla hanno a che fare con l’evoluzione tecnologica. I sistemi spaziali devono innanzitutto essere affidabili e robusti; la progettazione deve tenere conto delle ridondanze ¹² ed utilizzare tecnologie e sistemi di produzione e controllo provati nel tempo. Troppo spesso   la realizzazione di veicoli ed apparati  spaziali non segue queste semplici regole per prediligere una logica di mercato contraria  agli interessi di efficienza e funzionalità.
Nel caso russo non vi sono stati cambiamenti nei sistemi di lancio perché non vi sono stati mutamenti nelle conoscenze fisiche e tecnologiche che li giustificassero. Il satellite può divenire più complesso, con l’aggiunta e l’implementazione di sistemi di rivelazione o di calcolo che sono il prodotto dell’evoluzione informatica degli ultimi anni, ma il modo di lanciare questi oggetti e tenerli nello spazio non è mutato eccessivamente. 
Del resto il progresso tecnologico degli ultimi trent’anni non ha avuto alcun impatto sui voli spaziali: il programma Apollo rappresentò  il culmine dell’esplorazione umana verso altri mondi. Nel dicembre 1972 la capsula Apollo 17 rientrò dall’ultima missione lunare; altre due missioni previste furono cancellate per lo sviluppo del programma Shuttle. Negli ultimi trent’anni tutte le missioni umane sono state svolte  in orbita terrestre ad un’altezza tra i 300 e 400 km (meno di un decimo del raggio della Terra) e meno di un centesimo della distanza tra la Terra e la  Luna. 
 I computer utilizzati dall’Apollo avevano una capacità di calcolo di gran lunga inferiore al cellulare meno costoso sul mercato e tuttavia furono più che sufficienti a compiere il lavoro richiesto. Anche gli ultimi due Saturno V, l’unico tipo di razzo a non aver mai avuto un fallimento, furono posti in un museo. Un progetto di Saturno V modificato, che avrebbe garantito un sistema di lancio riutilizzabile in una frazione del tempo e del costo ¹³ di quello richiesto dallo Space Shuttle, fu accantonato. Una volta conquistata, la Luna non era più una meta interessante: dallo storico sbarco sulla Luna gli stessi voli dell’Apollo non facevano più audience ed il pubblico americano ed i suoi politici  erano semmai maggiormente interessati al costo del programma spaziale che ai suoi risultati scientifici, quantunque di prim’ordine.
Quante di queste scoperte e dati scientifici potevano essere di interesse per il grande pubblico? Probabilmente pochissimi se non nessuno. Ma soprattutto quante di queste scoperte o sviluppi tecnologici potevano essere utili per il grande pubblico? Qui la risposta risulta più  complessa in quanto fu difficile far presente  l’impatto avuto nella vita di tutti i giorni  da un programma spaziale che, per essere realizzato, comportò lo sviluppo di nuovi materiali, di sistemi di elettronica e comunicazione,   ecc. All’inizio degli anni 70 fu chiaro che  se il programma spaziale statunitense doveva continuare ciò si sarebbe dovuto realizzare riducendo i costi e progettando  un sistema riutilizzabile di lancio. Per venire incontro a queste esigenze furono sviluppati vari progetti: nel 1972 quello della Rockwell, che proponeva uno “Space Shuttle” riceve l’ok della NASA. Lo sviluppo di un nuovo sistema vettore-navetta avrebbe richiesto quasi 10 anni (il lancio del Colunbia fu  del 1981) durante i quali ogni attività umana degli USA nello spazio si fermò. Lo Shuttle avrebbe   dovuto rendere più accessibile lo spazio, ospitando un equipaggio di 7 persone comodamente alloggiate  (rispetto ai tre astronauti stretti in una capsula Apollo).
La realizzazione di una navetta in grado di atterrare come un aereo su una normale pista ¹⁴ avrebbe poi semplificato   notevolmente le operazioni di rientro.  In realtà la decisione di sviluppare lo Shuttle e di abbandonare l’affidabile Saturno V fu dettata per lo più da considerazioni di carattere politico ed economico. Lo sviluppo di un nuovo sistema avrebbe consentito di finanziare, per un altro decennio, le compagnie coinvolte nella ricerca e  sviluppo del sistema.
Il  Saturno V fu  progettato all’interno della NASA dando massima priorità allo  scopo (giungere sulla Luna), in seconda istanza al progetto complessivo (lancio, capsula Apollo e modulo lunare) ed infine sui sistemi che lo componevano. Per lo Shuttle, tuttavia,  avvenne esattamente l’opposto. Le ditte coinvolte proposero di utilizzare quello che avevano più o meno già sviluppato, richiedendo adattamenti e compromessi di design in più punti per accomodare le richieste contrastanti e spesso mutualmente esclusive che ci si era ripromessi di soddisfare (volo umano, lancio di satelliti in orbita polare per le forze armate, capacità di raggiungere la stazione spaziale). I costi quindi lievitarono a $10 miliardi del 1977. Il risparmio ottenuto con un sistema riutilizzabile risultò trascurabile: il costo attuale del programma Shuttle è di $2.8 miliardi di costi fissi ¹⁵ più solo $100 milioni addizionali per ciascun  lancio. La reale riduzione delle spese  non fu quindi  raggiunta  dal governo americano a corto di fondi  ma – come spesso avviene – da parte dell’industria privata.
 Lo stesso avverso destino  del Saturno V  è stato subito dalla più grande stazione spaziale mai lanciata in orbita: il laboratorio Skylab. Lanciato nel 1973 da un Saturno V modificato ¹⁶ , il laboratorio Skylab era grande un quarto di come sarà la Stazione Spaziale Internazionale una volta completata (se mai lo sarà). In altri termini, con soli 4 lanci con vettori Saturno V, sarebbe stato possibile avere una stazione spaziale permanente già negli anni ’70 ad una frazione del costo di quella attuale, senza contare la semplicità di un design che non avrebbe richiesto decine di piccoli moduli agganciati insieme come quella attuale [7].   Il programma di sviluppo degli anni ’70 aveva infatti in mente la realizzazione parallela  dello Shuttle  e della stazione spaziale Freedom. In un primo tempo era stato addirittura previsto di utilizzare lo Shuttle per incrementare l’orbita dello Skylab prima che decadesse irreparabilmente ma poi ritardi nello sviluppo del programma fecero abbandonare anche questa opzione.
Come per la Mir, a seguito dell’incidente del Columbia si è scritto più volte come lo Shuttle fosse vecchio e dunque obsoleto e pericoloso: nulla di più errato. La sicurezza di un sistema o di un meccanismo non ha nulla a che vedere con la data di progettazione (anzi, spesso sono i progetti più  vecchi quelli più affidabili) ma dal tipo di manutenzione e verifiche che vengono effettuate su di esso.
 In entrambi gli incidenti dello Shuttle, costati la vita a 14 astronauti in totale, le cause  sono da attribuirsi esclusivamente ad errori e leggerezze di gestione di un programma che troppo spesso ha sacrificato la sicurezza del progetto e le verifiche necessarie in una delle macchine più complesse mai costruite dell’uomo. 
Nel  1986 il Challenger fu distrutto a seguito degli stress aerodinamici causati dall’esplosione di uno dei razzi laterali a combustibile solido. L’esplosione fu causata dalle  perdita di una guarnizione che – essendo stata sottoposta la notte precedente al lancio  ad una temperatura più bassa di quanto tollerato – aveva perso la flessibilità necessaria. Il lancio avvenne senza tenere in considerazione il parere negativo dei tecnici seguendo una logica che richiedeva continui successi per far proseguire il programma spaziale. In questa ottica (di per sé non errata) di cercare consenso ed interesse di pubblico, tra i membri dell’equipaggio che persero la vita  vi era anche una maestra di scuola elementare, Christa McAuliffe. La commissione d’inchiesta che fu istituita in seguito all’incidente emanò raccomandazioni ¹⁷ per lo più rivolte a modificare le modalità di gestione del progetto, allo stabilire un ufficio per la sicurezza e ad evitare che un  veicolo con uomini a bordo fosse utilizzato per il lancio di satelliti commerciali ¹⁸ .
Vi furono anche specifiche richieste tecniche, come la modifica di giunti dei razzi a combustibile solido e l’installazione di un sistema di fuga dalla navetta ¹⁹ . Il management considerava il successo dei voli precedenti come garanzia stessa  che lo Shuttle fosse in grado di volare, trascurando la moltitudine di problemi che venivano evidenziati ad ogni volo.
  Per quanto gravi fossero le mancanze della gestione del Challenger, esse sono comunque minori  delle responsabilità del recente incidente del Columbia nel febbraio 2003. Anche in questo caso i voli dello Shuttle erano stati costretti a proseguire in un clima di tagli di fondi e di riduzione delle sicurezze. Furono trascurati i segnali che le navette erano  insicure e furono accantonati i pareri di tecnici ed ingegneri contrari alla prosecuzione dei voli (e licenziati proprio per la loro opinione). Ancora una volta la causa fisica dell’incidente non è altro che l’effetto di una insufficiente  manutenzione del sistema e prodotto di un errato ed approssimativo sistema di gestione ²⁰ .
A quasi cinquant’anni dallo Sputnik l’esplorazione spaziale rimane ancora un fenomeno di nicchia, senza importanza o ricadute immediate sulla popolazione mondiale che preferisce un elevato budget militare allo buttare i soldi “nello spazio” ²¹ . Le ditte coinvolte nella progettazione di hardware e software per lo spazio giustificano gli enormi costi con la necessità di effettuare verifiche e controlli su sistemi che – in caso di fallimento - non potrebbero essere riparati. Potrebbero essere portati molteplici esempi in cui questo non si è verificato ²² ed il costo elevato non è stato giustificato in termini di garanzie ed affidabilità.  In ogni caso il problema principale è che al momento  non  è stata trovata una motivazione economica immediata che giustifichi l’esplorazione spaziale  agli occhi dei politici o dei loro elettori. Le principali applicazioni commerciali dell’esplorazione dello spazio sono i satelliti per telecomunicazioni e quelli per il GPS ²³ ; il telerilevamento ha anche un mercato non trascurabile in campo civile, mentre i satelliti spia  dominano il mercato militare. Si tratta però essenzialmente di sistemi standard, la cui crescente miniaturizzazione porta a migliorie nelle performance o poco più senza alcun investimento nei principi di base.
La fase attuale dell’esplorazione spaziale è una di collaborazione internazionale ma  è difficile prevedere quale sarà il futuro dell’uomo nello spazio e se e quando riuscirà a spingersi al di là della Luna. Da molto tempo si discute dell’importanza che avrebbe una missione umana su Marte, alla nostra portata sotto il profilo scientifico – tecnologico ma non sotto quello economico – politico. Di recente, tuttavia, lo scenario è cambiato nuovamente con la messa in orbita del primo taikonauta cinese. Sarà interessante vedere quale sarà l’impatto di questa  nuova potenza spaziale sul futuro dell’uomo nello spazio. 

Bibliografia

[1] AA. VV., “Columbia accident Investigation board”, vol. 1, NASA, 2003
[2] A. Clarke, Wireless World, 1945 (http://lakdiva.org/clarke/1945ww/provenance.html)
[3] A. Chaikin, “A Man on the Moon”, Penguin books, 1994
[4] R. Godwin, ed., “Rocket and Space Corporation Energia”, Apogee Books, 2001 Canada
[5] D. Jenkins, “Space Shuttle. The History of the National Space Transportation System”, World Print ltd, Honk Kong,
[6] J. Oberg, “Disaster at the Cosmodrome”, Air & Space Magazine December 1990.
[7] J.  Oberg, “Skylab’s Untimely Fate”, Air & Space, February/March 1992, pp. 73-79
[8] K. Tsiolkovsky, Konstantin “Exploration of the Universe with Reaction Machines : Exploring the Unknoun”. The NASA History Series. NASA SP 4407, Washington, D.C, 1995