Boom sonici e detriti: un nuovo metodo per tracciare i rientri spaziali

Elaborazione ESA dei detriti spaziali in orbita terrestre. Foto: ESA

Negli ultimi anni il numero di oggetti che rientrano nell’atmosfera terrestre è cresciuto in modo costante. Satelliti a fine vita, stadi di razzi e moduli orbitali vengono progressivamente rallentati dall’atmosfera fino a perdere stabilità e rientrare senza un controllo diretto da terra. Il fenomeno è legato all’aumento delle attività in orbita bassa e alla diffusione delle grandi costellazioni satellitari, ed è destinato ad accentuarsi.

Ogni rientro incontrollato comporta un rischio potenziale per il traffico aereo, per le infrastrutture e, in casi specifici, per l’ambiente. Il nodo principale non è tanto la probabilità di un impatto diretto, che resta bassa, quanto l’incertezza che accompagna le fasi finali della discesa. Quando un oggetto entra negli strati più densi dell’atmosfera, la traiettoria diventa rapidamente imprevedibile, con finestre temporali che possono variare di ore e corridoi geografici che si estendono per migliaia di chilometri.

Le difficoltà nel prevedere un rientro

Finché un oggetto rimane in orbita, la sua posizione può essere stimata con buona precisione. Quando però il perigeo scende nella bassa termosfera, l’interazione con l’atmosfera introduce una serie di variabili difficili da modellare: la densità atmosferica non è costante, l’assetto del veicolo può cambiare, la frammentazione inizia in modo progressivo e il drag aerodinamico cresce rapidamente.

Anche a poche ore dal rientro, le stime ufficiali possono presentare incertezze molto ampie. In pratica, sapere con precisione dove e quando un oggetto rientrerà diventa estremamente complesso proprio nel momento in cui l’informazione sarebbe più utile.

I limiti di radar e osservazioni ottiche

I sistemi di sorveglianza spaziale si basano principalmente su radar e osservazioni ottiche. Entrambi funzionano bene finché l’oggetto resta coerente e ben definito in orbita, ma mostrano limiti evidenti durante la disintegrazione atmosferica. Il plasma generato dall’attrito può schermare il bersaglio radar, mentre la frammentazione moltiplica rapidamente il numero di oggetti da seguire.

Le osservazioni ottiche, inoltre, diventano inefficaci durante la cosiddetta fase di “volo oscuro”, quando il veicolo non è più visibile ma continua a muoversi a velocità supersonica o ipersonica. Il risultato è che, proprio nella fase più critica del rientro, le informazioni disponibili tendono a ridursi.

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Un approccio alternativo: ascoltare i boom sonici dal suolo

Uno studio pubblicato su Science propone un approccio alternativo, basato su un principio fisico noto: un oggetto che attraversa l’atmosfera a velocità ipersonica genera un’onda d’urto, il boom sonico. Il fronte d’onda assume la forma di un cono, detto cono di Mach, che interseca il suolo lungo una traccia ben definita.

Quando questo avviene, il passaggio dell’onda produce una risposta misurabile dai sismometri terrestri. Le reti sismiche civili, progettate per monitorare terremoti, sono sufficientemente sensibili da registrare questi segnali. Analizzandone i tempi di arrivo e la distribuzione spaziale, è possibile ricostruire la traiettoria del veicolo e stimarne alcuni parametri fondamentali.

Il modulo di Shenzhou-15 mentre brucia al suo rientro

Shenzhou-15: il caso studio

Il metodo viene applicato al rientro del modulo orbitale della missione cinese Shenzhou-15, avvenuto il 2 aprile 2024. Le previsioni ufficiali indicavano un rientro alle 09:06 UTC sull’Atlantico settentrionale. In realtà, osservatori a terra hanno segnalato un brillante bolide frammentato sopra la California meridionale già alle 08:40 UTC.

Lo scarto è rilevante: circa 25 minuti in anticipo e una distanza geografica di circa 8.600 chilometri rispetto alla previsione. L’episodio mette in evidenza l’incertezza delle stime pre-rientro e rende Shenzhou-15 un banco di prova particolarmente efficace per tecniche di tracciamento indipendenti.

Oltre cento stazioni sismiche coinvolte

Durante il rientro, 124 stazioni della Southern California Seismic Network e una del Nevada hanno registrato segnali coerenti. Le forme d’onda non erano compatibili con eventi tettonici, ma mostravano le caratteristiche tipiche delle cosiddette onde N, associate ai boom sonici.

Le stazioni situate direttamente sotto la traiettoria hanno registrato segnali singoli e ben definiti. Quelle più a valle hanno invece mostrato forme d’onda più complesse, con più arrivi ravvicinati nel tempo. Questa differenza riflette la frammentazione progressiva del veicolo, che genera più boom sonici prodotti da frammenti distinti.

Velocità e angolo di ingresso

Dall’analisi dei tempi di arrivo dei segnali, i ricercatori stimano una velocità compresa tra Mach 25 e Mach 30, cioè tra 25 e 30 volte la velocità del suono. In termini pratici, si tratta di circa 7–8 chilometri al secondo, un valore coerente con la velocità orbitale di un oggetto proveniente dall' orbita bassa.

L’angolo medio di discesa è stimato intorno a 1,2 gradi. Un valore molto basso, che indica un ingresso quasi radente nell’atmosfera, tipico dei rientri orbitali prima che l’attrito aumenti rapidamente la pendenza della traiettoria.

A che quota avviene la disintegrazione

La quota alla quale Shenzhou-15 continuava a generare onde d’urto è stimata tra 80 e 150 chilometri. L’intervallo resta ampio perché i dati sismici sono poco sensibili all’altitudine, ma è sufficiente per collocare la fase di disintegrazione nella bassa termosfera.

È in questa regione che la pressione aerodinamica inizia a superare la resistenza meccanica del veicolo, innescando le prime rotture strutturali.

Come capire se il veicolo era già frammentato

Un’indicazione chiave arriva dalla durata delle onde N. Per un oggetto integro con un raggio di poco superiore al metro, ci si aspetterebbero durate dell’ordine di 0,4–0,5 secondi. Nel caso di Shenzhou-15, i tempi osservati sono invece nell'ordine di circa 0,15 secondi.

La differenza indica che il modulo si era già frammentato prima di sorvolare le prime stazioni sismiche. Le stime suggeriscono che i frammenti principali avessero dimensioni massime dell’ordine di 40 centimetri di raggio.

Una frammentazione graduale, non un’ unica esplosione

Isolando segnali sismici più deboli ma coerenti, lo studio identifica tra 8 e 11 momenti distinti di rottura, concentrati in meno di due secondi. Non si tratta quindi di un unico evento improvviso, ma di una sequenza rapida di cedimenti successivi.

Ogni rottura libera meno energia della precedente, in una progressione che indica come il veicolo si sia disgregato poco alla volta, passando da frammenti più grandi a parti via via più piccole. Dal punto di vista fisico, questo comportamento segue una distribuzione matematica detta “legge di potenza”, tipica dei processi in cui non esiste un singolo evento dominante. In termini semplici, Shenzhou-15 non è “esploso” in quota, ma si è spezzato gradualmente lungo la traiettoria.

Una frammentazione graduale aumenta la probabilità che alcuni componenti strutturalmente più robusti sopravvivano fino a quote basse o raggiungano il suolo. Serbatoi, elementi rinforzati o parti ad alta densità resistono più a lungo rispetto a pannelli o strutture leggere progettate per disintegrarsi.

Nel caso di Shenzhou-15, la generazione attiva di boom sonici si interrompe prima che la traiettoria superi il 117° meridiano, suggerendo che eventuali frammenti superstiti abbiano raggiunto il suolo prima di quel punto.

La traiettoria ricostruita dai dati sismici risulta spostata di circa 30 chilometri verso sud rispetto alle previsioni pre-rientro. In uno scenario reale, uno scarto di questa entità può fare la differenza nell’orientare le operazioni di ricerca e recupero, soprattutto in presenza di materiali potenzialmente pericolosi.

Un nuovo tassello per la sicurezza spaziale

Lo studio non propone di sostituire radar e telescopi, ma di affiancarli con una fonte di informazione indipendente. Le reti sismiche civili sono già operative, producono dati open-source e coprono ampie aree del pianeta. Integrarle nel monitoraggio dei rientri potrebbe migliorare la capacità di risposta proprio nelle fasi più critiche.

In un contesto in cui il numero di rientri è destinato ad aumentare, la gestione del rischio passa anche dalla capacità di interpretare segnali inattesi. In questo caso, ciò che accade nello spazio lascia tracce misurabili nel suolo terrestre, offrendo uno strumento in più per capire dove finiscono i detriti quando tornano sulla Terra.