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Il lancio da parte della Nasa e della Japan Aerospace Exploration Agency (Jaxa) è previsto per gli ultimi mesi del 2024. A essere mandato in orbita sarà LignoSat, un satellite artificiale realizzato in legno che ha la forma di un piccolo cubo, delle dimensioni di dieci centimetri per lato: sarà trasferito dal Kennedy Space Center in Florida verso la Stazione spaziale internazionale da un missile SpaceX e successivamente rilasciato nello spazio dal modulo sperimentale giapponese Kibo. Il dispositivo è composto da pannelli di legno di magnolia realizzati con metodi giapponesi di giunzione che non fanno uso di colla o di accessori metallici, e ha una struttura in alluminio, pannelli solari, circuiti e sensori. I sensori a bordo valuteranno le sollecitazioni del legno, la temperatura, le forze geomagnetiche e le radiazioni cosmiche, oltre a ricevere e trasmettere segnali radio.
Al progetto LignoStella Space Wood stanno lavorando ormai dal 2020 l’università di Kyoto e la Sumitomo Forestry: lo scopo è studiare il legno come materiale da costruzione nello spazio e dunque trovare soluzioni più sostenibili per la realizzazione di satelliti. Quelli tradizionali infatti, costruiti principalmente in metallo, possono contribuire al problema dei detriti spaziali (space debris) una volta che cessano di funzionare. Secondo dati Inaf, in orbita terrestre ci sono circa 5.000 satelliti integri, 2/3 dei quali funzionano ancora, mentre 1/3 è ormai dismesso. In aggiunta, si contano altri 20.000 rifiuti spaziali con dimensioni superiori ai 10 centimetri e, secondo stime statistiche, circa 130 milioni con dimensioni comprese tra 0,1 e 10 centimetri.
A fronte di questa situazione il legno, essendo un materiale naturale, potrebbe offrire un’alternativa. Takao Doi, astronauta e ingegnere dell'università di Kyoto che fa parte del team di ricerca, spiega che il legno con cui è realizzato LignoSat si incenerirà completamente e rilascerà solo vapore acqueo e anidride carbonica quando rientrerà nell’atmosfera terrestre. In vista delle future missioni, i ricercatori stanno discutendo anche la possibilità di costruire abitazioni e cupole in legno sulla Luna e Marte.
I primi test di esposizione spaziale di LignoSat, condotti nel 2022 per oltre 240 giorni sul modulo giapponese Kibo della Stazione spaziale internazionale, hanno già dato riscontri positivi. Sono stati testati tre campioni di legno selezionati per il satellite, i quali non hanno mostrato alcuna deformazione dopo l’esposizione nello spazio. I risultati dell’esperimento hanno confermato l’assenza di variazioni di massa in ciascun campione prima e dopo l'esposizione allo spazio. Nonostante l'ambiente estremo, che comporta notevoli sbalzi di temperatura, l’esposizione ai raggi cosmici e a pericolose particelle solari per dieci mesi, i test non hanno rilevato decomposizione o deformazioni, come crepe, scrostature o danni superficiali.
Per capire il potenziale di questi nuovi oggetti spaziali, ci siamo rivolti a Ugo Galvanetto, professore di ingegneria aerospaziale all’università di Padova.
Prof. Galvanetto, il satellite in legno progettato dai ricercatori giapponesi potrebbe inaugurare una nuova era di esplorazioni spaziali più ecologiche?
Può sembrare strano ma le missioni spaziali non generano una quantità significativa di sostanze inquinanti l’atmosfera. Se ci limitiamo a considerare il settore dei trasporti, cui possiamo ritenere le missioni appartengano, le emissioni dei motori dei razzi sono una parte trascurabile dell’inquinamento generato dall’attività umana. Ogni giorno circolano nel mondo un miliardo e mezzo di autoveicoli, alcune decine di migliaia di aerei, mentre vengono lanciate poche centinaia di razzi all’anno (circa 200 nel 2023). Penso che il satellite in legno voglia esprimere un’attenzione per l’ambiente, che potrebbe avere un impatto fra alcuni anni, più che costituire un contributo significativo alla sostenibilità delle missioni. È possibile che l’utilizzo del legno possa ridurre la generazione di rifiuti spaziali che ‘inquinano’ lo spazio circostante il globo terrestre.
Perché è stato scelto proprio il legno come materiale per un oggetto spaziale, un satellite nel caso specifico? Quali sono i vantaggi (e i benefici ambientali) rispetto ai materiali tradizionali e quali invece i limiti e dunque le sfide tecnologiche che ancora si devono affrontare per l’impiego di questo tipo di materiale in ambito spaziale?
In questo momento penso che i benefici ambientali siano trascurabili. Il legno è un materiale interessante, perché pone delle sfide significative a chi lo vuole usare nello spazio. Limitandoci al caso dei cubesat, come LignoSat, e supponendo di doverne costruire un numero notevole, alcune centinaia o più, non è detto che sia semplice produrre tutte le componenti necessarie con l’affidabilità richiesta dalle missioni spaziali. Potremmo trovarci a dover considerare una quantità notevole di materiale di scarto, perché non soddisfacente i requisiti. È comunque chiaro che, in quanto materiale naturale, il legno non richiede un processo produttivo inquinante. Inoltre, come accennato in precedenza, è probabile che detriti spaziali di legno potrebbero essere più facilmente deperibili o disintegrabili di detriti ordinari. Infine, il legno riflette la luce meno dei metalli e quindi genera un minore disturbo ottico a strumenti di osservazione quali i telescopi. Probabilmente il contributo principale all’ambiente di satelliti di legno non sarebbe tanto all’ambiente terrestre quanto piuttosto alla riduzione di space debris.
In futuro ritiene che il legno potrebbe trovare applicazione nel corso di missioni spaziali, per esempio nelle future esplorazioni lunari e marziane? E in caso affermativo in che modo?
Da un punto di vista strutturale alcuni tipi di legno sono materiali molto efficienti, perché in grado di fornire buone proprietà di rigidezza e resistenza rispetto alla loro massa. Sono, cioè, dotati di buone proprietà specifiche. Infatti, i primi aerei erano in gran parte realizzati in legno. D’altro canto, i materiali naturali in generale non forniscono quell’affidabilità e ripetibilità necessarie alle moderne produzioni industriali. Questi requisiti sono pienamente soddisfatti dai metalli, mentre i nuovi materiali compositi artificiali, per certi versi più simili al legno, stanno raggiungendo un livello di affidabilità simile a quello dei metalli. Ritornando all’uso del legno nello spazio, gli esempi del passato sono scarsi: se ne ricorda uno del 1962!
Si stanno svolgendo ricerche molto innovative e intense sulla fabbricazione delle basi lunari e marziane. Ma non mi risulta che il legno abbia un qualche ruolo rilevante in tali strutture. Penso però che le piante avranno un ruolo molto importante sia per la produzione del cibo che per il comfort psicologico degli astronauti per rendere le basi sostenibili, cioè non dipendenti da un continuo flusso di materiali e di persone dalla terra.
Ci sono altri materiali “sostenibili” in fase di studio che potrebbero trovare impiego nello spazio in futuro?
Il concetto di sostenibilità nello spazio assume un significato specifico rispetto a quello che ha comunemente sulla Terra. I materiali per la costruzione di satelliti o navicelle spaziali sono serviti finora esclusivamente allo scopo della missione, senza che ci si ponesse l’obiettivo di consentirne un ulteriore utilizzo successivo. Stiamo assistendo a un cambio di paradigma, per esempio alcuni progetti della Nasa mirano a riutilizzare come porzioni di abitazioni per gli astronauti gli abitacoli modificati delle navicelle spaziali con cui gli astronauti hanno viaggiato. In tale senso il riciclaggio, cioè l’uso per un secondo scopo di elementi delle astronavi, si sta affermando come un criterio con cui valutare i nuovi progetti. Si stanno studiando molti materiali/strutture sostenibili in questo senso, cioè multi-funzionali in fasi successive dell’esplorazione spaziale. Inoltre la sostenibilità delle basi spaziali è basata sull’uso di risorse locali: per esempio la regolite come materiale da costruzione sulla luna, le risorse idriche disponibili sui vari corpi celesti, l’ossigeno. Anche la conservazione, o meno, dell’ambiente naturale lunare, o marziano è un aspetto da considerare: materiali che rendono la base sostenibile, dal punto di vista terrestre, potrebbero non esserlo da quello lunare.
In questo settore l’Italia come si colloca?
E’ ben noto che l’Italia, fin dagli anni Cinquanta, è uno dei Paesi più avanzati nel settore aerospaziale. Anche ricercatori dell’università di Padova, in collaborazione con studiosi italiani e internazionali, hanno dato contributi importanti a molti ambiti della ricerca e dell’ingegneria aerospaziali. Limitando la nostra attenzione al problema della sostenibilità dei materiali, segnalo alcune ricerche svolte al Cisas sullo studio di materiali multifunzionali e sullo sviluppo di una propulsione spaziale meno inquinante.
