Tecnologie per lo spazio

APPLICAZIONI AEROSPAZIALI –

Lo spazio è diventato una delle chiavi di successo nell’affrontare le sfide di una realtà sempre più competitiva e globale. Protezione dell’ambiente, miglioramento della qualità della vita, sicurezza, crescita economica e conoscenza sono alcuni dei benefici della ricerca nel settore aerospaziale.

Secondo i recenti aggiornamenti pubblicati da Euroconsult, gli investimenti nel settore aerospaziale nel 2008, per il solo settore civile, ammontavano a 32 miliardi di dollari. Nel 2006 tale settore civile aveva rappresentato il 47% degli investimenti istituzionali, che a loro volta costituivano il 37% dell'intero budget messo a disposizione. Il restante 63% derivava dal mercato commerciale, per un fatturato complessivo di oltre 170 miliardi di dollari. Gli Stati Uniti continuano a mantenere una netta posizione dominante, grazie anche alla forte presenza di una solida controparte commerciale. Tuttavia si osserva nel tempo una costante crescita di Russia e India; la Russia, ad esempio, nel 2006 ha condotto ben 25 dei 66 lanci effettuati in totale. Le prospettive nell'immediato futuro risentiranno certamente della recente crisi economica. Si ritiene che le ricadute negative si avranno principalmente nel settore delle telecomunicazioni, dove la presenza della componente privata è certamente più forte che in altri ambiti; le previsioni in questo settore sono già state riviste al ribasso, attendendosi una riduzione tra il 10% ed il 20% di quanto stimato nel 2008. Una delle preoccupazioni principali è che la crisi economica possa avere ricadute più pesanti sui livelli più bassi della catena (tipicamente i produttori di circuiti stampati e componenti per i quali i margini di profitto sono inferiori) finendo per destabilizzare l'intera filiera produttiva. In questo senso è importante sottolineare, a dispetto di quanto si possa ritenere, anche da più parte nell'opinione pubblica, che il settore aerospaziale è da sempre caratterizzato da una vera e propria capacità intrinseca di moltiplicare gli investimenti, producendo interessanti ritorni economici anche nella vita di tutti i giorni. Si pensi, ad esempio, che, a fronte di un investimento di 1,8 miliardi di dollari per la produzione della piattaforma Satcom (uno dei primi satelliti per telecomunicazioni in orbita geostazionaria), si è registrato un volume di affari nel settore dei servizi a valore aggiunto erogati sulla base di tale piattaforma di oltre 54 miliardi di dollari, di cui 18 nel solo panorama europeo.

L'evoluzione del settore
Oltre che, inevitabilmente, dalla crisi economica, l'evoluzione del mercato aerospaziale e le direttive che ne deriveranno per il settore tecnologico saranno condizionate da altri fattori esterni. Determinanti saranno, ad esempio, le scelte del Dipartimento della Difesa americano, sempre più orientato a supportare missioni service-oriented che presentino significative possibilità di spin-off commerciali. Dal canto suo, la Nasa ha da più parti annunciato una progressiva rinuncia alla missioni di ricerca scientifica (per cui si era previsto un investimento di circa 1 miliardo di dollari che avrebbe dovuto includere anche studi sui cambiamenti climatici) per concentrare gli sforzi verso i programmi di esplorazione del sistema solare. All'interno del panorama mondiale sarà, poi, importante il ruolo che andranno ad assumere nazioni come India e Cina, che non possono ormai essere più considerate come potenze emergenti ma rappresentano piuttosto consolidate realtà del settore. Si pensi, ad esempio, che, secondo le più recenti stime, la Cina occupa già la quarta posizione nel ranking mondiale o che, a parità di potere di acquisto, gli investimenti dell'India arrivano oggi a sfiorare la quota di 2 miliardi di euro l'anno. Negli anni passati, l'Europa si è prevalentemente posta come fornitore di tecnologie verso questi soggetti, favorendo parallelamente iniziative di trasferimento tecnologico; non è da escludere, però, che nel prossimo futuro, anche India e Cina si presentino sul mercato come paesi esportatori. Il panorama europeo, invece, sarà fortemente condizionato dall'evoluzione dei principali programmi comunitari, come ad esempio Galilelo e Gmes. Dal punto di vista tecnologico, il nodo cruciale appare la ricerca di un equilibrio sostenibile tra innovazione e consolidamento che consenta di rafforzare le posizioni di leadership assunte in alcuni settori strategici e, nel contempo, di affiancarsi da alcune delle dipendenze dal mercato americano. In questi termini, un'incognita forte è rappresentata, ad esempio, dalla politica adottata dal Dipartimento della Difesa americano in merito alle restrizioni imposte sulle esportazioni dei componenti qualificati per il mercato aerospaziale. Si pensi, ad esempio, che restano sotto tali restrizioni sia componenti fondamentali come logiche programmabili, Mosfet di potenza, convertitori Dc/Dc nelle versioni tolleranti alla radiazione che sistemi complessi per le apparecchiature di terra. Nella maggior parte dei casi, non esistono valide alternative da produttori del vecchio continente. Anche per questo, un'attenzione particolare viene rivolta costantemente in ambito europeo alle iniziative di armonizzazione, riconoscendo nella standardizzazione delle infrastrutture una delle linee guida per la riduzione dei costi delle missioni spaziali e una via alla indipendenza tecnologica.

Investimenti e piani tecnologici
Gli aspetti tecnologici sono certamente determinanti nel definire scenari e successi di ogni tipo di applicazione. Tale considerazione è tanto più vera se si pensa al mercato aerospaziale dove il panorama tende ancora ad essere in parte disomogeneo e condizionato, come abbiamo visto, da diversi fattori, anche esterni. Uno studio recente ha analizzato 26 programmi dell'Agenzia Spaziale Europea constatando che il 42% ha accumulato un ritardo compreso tra 1 e 3 anni rispetto alle previsioni mentre il 35% circa ha richiesto un incremento dei costi superiore al 20%. Tra le motivazioni principali, in alcuni casi sono stati addotti proprio problemi di natura tecnologica. Non deve quindi stupire una attenzione particolare rivolta a questi aspetti attraverso iniziative di supporto e, soprattutto, la definizione di piani strategici nel lungo periodo che possano servire come linee guida per le aziende del settore.
L'Agenzia Spaziale Europea investe tipicamente 450 milioni di euro l'anno in ricerca e sviluppo tecnologico, corrispondente a circa l'8% dell'intero investimento nell'ambito delle applicazioni spaziali a scopi civili. Nel 2006 la maggior parte degli investimenti (18%) sono stati dirottati verso il settore dei lanciatori. Quote minori sono state destinate alle missioni di osservazione terrestre (11%), Space Science (9%), Human Spaceflight (8%), sistemi di navigazione (8%) e telecomunicazioni (6%). Il piano tecnologico di lungo termine che è stato recentemente annunciato per il periodo 2009-2018, coerentemente con queste linee, individua 9 aree di interesse per quanto concerne le attività di ricerca e sviluppo tecnologici:
•    osservazioni terrestre
•    ricerca scientifica
•    esplorazione robotica
•    viaggio con equipaggio
•    trasporto spaziale
•    telecomunicazioni
•    navigazione
•    sicurezza
•    applicazioni generiche.


Nei paragrafi successivi sono presentate le principali necessità dal punto di vista tecnologico nei settori principali insieme ad alcuni dei risultati più interessanti raggiunti di recente ed alle opportunità future. A supporto della ricadute che queste attività di ricerca e sviluppo hanno, come accennato in precedenza, sulle attività quotidiane, l'Agenzia Spaziale Europea ha da tempo attivato un programma dedicato di trasferimento tecnologico. Tra le principali attività del programma, vi sono, ad esempio, le iniziative dirette al supporto dello start-up di compagnie derivate dal settore spaziale o la costituzione di una rete Ehcn (Esa Health Care Network), inaugurata nel 2004, allo scopo di sviluppare, promuovere e commercializzare soluzioni di healt care derivate da applicazioni spaziali; una analoga iniziativa denominata Hei (Harsh Environment Initiative), del resto, è attiva fin dal 1997 ed è volta a trasferire all'industria del gas e degli oli alcune delle tecnologie sviluppate nell'ambito dei programmi spaziali per applicazioni in ambienti ostili.

Earth Observation
Osservare la Terra dallo spazio è forse oggi il modo migliore per capire in che modo il nostro pianeta si sta evolvendo; capire la Terra per preservarne il futuro è lo spirito delle missioni di Earth Observation. Pietra miliare nella storia europea dell'osservazioni terrestre è stata certamente la missione Envisat, il più grande satellite mai costruito per tali scopi. Lanciato nel 2002, imbarca un radar Asar (Advanced Synthetic Aperture Radar) operante in banda C con swath fino a 100 km ed uno spettrometro per la misura della radiazione solare riflessa avente risoluzione spaziale di 300 metri, 15 bande spettrali nel visibile e nel vicino infra-rosso; è in grado di fornire la mappa completa della superficie terrestre in 3 giorni. Più di recentemente (nel novembre 2009) è stato invece messo in orbita con successo il satellite Smos (Soil Moisture and Ocean Salinity) che ha il compito di monitorare i cambiamenti climatici su larga scala; Smos è il primo satellite in grado di produrre contemporaneamente la mappa di salinità della superficie marina e monitorare la composizione del suolo su scala globale. Lo strumento Miras (Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis), imbarcatovi a bordo, utilizza 69 antenne riceventi in banda L operanti a circa 1.4 GHz per catturare la radiazione emessa dalla superfiche terrestre; basandosi su di una struttura su tre bracci disposti ad Y tra loro e metodi di elaborazione interferometrica analoghi alle tecniche impiegate in radio-astronomia per costruire telescopi ad ampio diametro, Miras ottiene le prestazioni di una antenna di grossa apertura che non sarebbe stato possibile imbarcare a bordo di un satellite. Unitamente a Smos, è stato messo in orbita anche Proba-2 (Project for Onboard Autonomy), una missione dimostrativa allo scopo di qualificare una serie di interessanti innovazioni tecnologiche tra cui un sensore solare digitale, una camera ad ampio angolo miniaturizzata, sensori in fibra ottica, un magnetometro ad elevata precisione, un ricevitore Gps a doppia frequenza, un thruster alimentato a xenon. Da un punto di vista strettamente tecnologico, gli aspetti di maggiore interesse ed attualità per quanto concerne le missioni di Osservazioni della Terra riguardano la definizione di nuove architetture e soluzioni per apparati di bordo. Gli ambiti di ricerca e sviluppo che sono stati indicati come prioritari per il prossimo futuro sono, ad esempio, lo sviluppo di strumenti Lidar (Laser Imaging Detection and Ranging) per il rilevamento della composizione dell'atmosfera, radar Sar (Synthetic Aperture Radar) per applicazioni di topografia oceanica, antenne ad ampia apertura basate su architetture dispiegabili in volo che consentano di ridurre il volume al lancio del satellite o strutture di matrici di antenne mediante tecniche di beamforming, nuovi rivelatori UV/VIS/NIR basati su sensori Ccd/Cmos e filtri ad elevata risoluzione ottica. Fondamentali sono pure la realizzazione di nuovi protocolli di comunicazione satellite-satellite per le applicazioni di Formation Flying e lo sviluppo di algoritmi di elaborazioni e compressione dati ad elevata efficienza per ridurre la quantità di informazioni che è necessario inviare a Terra. Da un punto di vista programmatico, le occasioni principali per il prossimo futuro sono rappresentate dalle missioni di Earth Explorer (che dovrebbero proseguire almeno fino al 2016 seguendo la strada tracciata inizialmente proprio con Envisat) e i programmi Sentinel del sistema Gmes.

Space Science
Lo spazio, come frontiera, ha sempre rappresentato uno stimolo incessante alla conoscenza. L'Europa riveste un ruolo primario in alcune aree chiavi come la fisica terrestre e solare, l'astronomia infra-rossa ed a raggi X oltre a condurre fondamentali ricerche per lo studio della gravità. Nel maggio 2009 è stato ad esempio lanciato il satellite Herschel, il più grande telescopio a infrarosso messo in orbita con uno specchio primario di 3,5 metri di diametro e soli 3 mm di spessore. A bordo sono presenti tre spettrometri operanti in diverse bande (tra cui quella tra 194 e 672 micron non ancora esplorata) per lo studio delle dinamiche di gas e polveri nello spazio a diverse temperature e in diversi stati nel processo di formazione delle stelle. Due degli strumenti sono in grado di operare inoltre come camere a colori per applicazioni di imaging. Altre 4 missioni saranno completate entro il 2015 e ulteriori 8 sono già state incluse nel programma Cosmic Vision per il decennio 2015-2025. Tra le prime vi è Gaia (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics), un programma per il censimento di circa un milione di stelle all'interno della nostra galassia. A bordo della satellite saranno imbarcati due telescopi con specchi curvi rettangolari seguiti da un combinatore di fascio e due altri specchi per creare l'immagine nel piano focale del sistema; i rivelatori sono basati su sensori Ccd. Un prisma sarà usato per creare una distribuzione spettrale della luce delle stelle rilevata mediante fotometro dedicato. Il satellite sarà inoltre dotato di un trasmettitore a bassa potenza (inferiore al consumo di una lampadina da 100 W) operante fino a 5 Mps ad una distanza di 1.5 milioni di chilometri dalla Terra. La data prevista per il lancio è il 2011. Gli aspetti tecnologici di maggiore interesse per quanto concerne le suddette missioni di scienza nello spazio riguardano lo sviluppo di rilevatori criogenici e tecnologie ottiche in banda-X, componenti tolleranti alle radiazioni per applicazioni nello spazio profondo, sistemi di puntamento laser, sensori Ccd ad ampia dinamica e elevata frequenza di lettura, star tracker per spinning spacecraft, tecnologie di rientro planetario.

Telecomunicazioni
Il settore delle telecomunicazioni è certamente quello più maturo tra le attività nello spazio, con i primi due satelliti Telstar (1962) e Syncom (1963) lanciati quasi cinquant'anni fa. Il settore raccoglie oltre il 60% delle attività dell'industria aerospaziale; il mercato è cresciuto costantemente in media del 6% l'anno. Oggi sono operativi oltre 250 satelliti in orbita geo-stazionaria che, ad esempio, distribuiscono oltre 20 mila programmi televisivi. Tre costellazioni ad orbita bassa (Globalstar, Iridium e Orbcomm) completano il quadro dei servizi offerti per un mercato che complessivamente assomma a circa 100 miliardi di euro. Nonostante questo, il settore presenta ancora una serie di limitazioni o, se si vuole vederla in altro modo, i requisiti di alcune applicazioni non possono ancora essere soddisfatti dalla attuale infrastruttura. Si pensi, ad esempio, che è stato stimato che con l'implementazione della piattaforma Gmes sarà richiesta una capacità di trasmissione dati verso Terra di fino a 6 Terabyte al giorno. Tra le principali necessità tecnologiche, vi sono lo sviluppo di Hpa con maggiore efficienza e potenza, Sspa efficienti in banda L, antenne con copertura più ampia per sistemi operanti nelle bande Ku e Ka, nuove tecnologie per antenne attive per sistemi di accesso multiplo, antenne a schiera fasata per costellazioni a orbita bassa. Importante, come anticipato inizialmente, è anche il raggiungimento di un adeguato livello di indipendenza tecnologica dal mercato anche per quanto concerne il segmento di Terra. Molte di queste iniziative sono coperte dal programma Artes (Advanced Research in Telecommunications Systems) dell'Agenzia Spaziale Europea. Recentemente, ad esempio, è stata ad esempio completata la produzione dei payload in banda Ku e Ka del satellite Hylas sviluppato in collaborazione con l'Isro (Indian Space Research Organisation), e che dovrebbe essere lanciato nel 2010. Interessante, vista l'attualità della questione, è pure l'attività di ricerca 3D@Sat per la realizzazione di canali di trasmissione satellitari per visione 3-D. Tra le prossime missioni di maggiore interesse dove le nuove tecnologie potranno essere applicate, possono essere annoverate, ad esempio, Edsr (European Data Relay Satellite) - un satellite per la realizzazione di un sistema di riduzione del ritardo temporale nella trasmissione di elevate quantità di dati - e Alphasat, sviluppato all'interno del programma Artes-8 e in collaborazione con Inmarsat, primo esempio di satellite di prossima generazione basato sulla piattaforma Alphabus.

Esplorazione robotica
Obiettivo principale delle attività di ricerca e sviluppo tecnologico nell'ambito dell'esplorazione robotica è la preparazione della missione Mrs (Mars Sample Return) che dovrebbe riportare sulla terra un campione (del peso di fino a 500 grammi) del suolo marziano; allo stato attuale la missione dovrebbe essere realizzabile tra il 2020 e il 2022. Tre missioni preparatorie, da sviluppare in collaborazione con la Nasa, sono in fase di discussione per il 2016 (Exomars), il 2018 e il 2020. Gli ambiti di ricerca e sviluppo di principale interesse dal punto di vista tecnologico riguardano in questo caso lo sviluppo di sistemi di comunicazione duale in Uhf e banda-X per lander, link di comunicazione per orbiter basati su tecniche Software Defined Radio, airbag per payload di piccole dimensioni, sistemi di alimentazione ad energia nucleare mediante isotopi prodotti in laboratorio, camere di combustione e tecnologie innovative di iniezione per sistemi di propulsione.

Trasporto Spaziale
L'Europa riveste un ruolo fondamentale nel trasporto spaziale. Dal 2004 è attivo il programma Egas (European Guaranteed Access to Space - Arianne 5) che assicura il supporto pubblico volto a garantire la disponibilità nel lungo periodo del lanciatore Arianne 5 per le future missioni spaziali; prima di questa data, la produzione del lanciatore era stata legata alle sole iniziative commerciali. Per avere una idea del mercato che gravita dietro a tali applicazioni, si pensi che la produzione di un singolo lanciatore coinvolge oltre 100 compagnie europee ed oltre 12 mila addetti. Nel 2010 dovrebbe finalmente essere conclusa la prima missione di Vega, un lanciatore di 30 metri di altezza e 3 metri di diametro il cui sviluppo è iniziato nel 1998 e che è in grado di portare in orbita polare con costi ridotti satelliti di piccole dimensioni (con payload fino a 1500 kg). Recentemente sono stati eseguiti test di trasporto ed assemblaggio sulla torre di lancio. Nel lungo periodo, da qui la 2020, il programma Flpp (Future Launchers Preparatory Programme), inaugurato nel 2004, dovrebbe portare alla realizzazione dei lanciatori di prossima generazione. In questa direzione le ricerca tecnologica è chiamata a sviluppare nuovi sistemi di propulsioni solida - realizzati, ad esempio, mediante polimeri rinforzati con fibre di carbonio e propellenti a bassa costo ma elevata resa - e liquida - basati invece su motori criogenici. Importanti saranno le attività nel settore dei materiali (per quanto concerne ad esempio la realizzazione delle superfici di rivestimento termico delle strutture) e dei sistemi di controllo e stabilizzazione di assetto. Nuove soluzioni per velivoli ad ascensione verticale dovranno essere studiati per le navette per le missioni di atterraggio.

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