Programma Artemis
Overview
Artemis è il programma della NASA (National Aeronautics and Space Administration) per riportare l’umanità sulla Luna e creare una presenza umana permanente sul nostro satellite.
Il programma prende forma nei primi anni '10 a partire da precedenti programmi quali Constallation Program, dal quale eredita la capsula Orion, dallo Space Shuttle ritirato nel 2011 dopo l'incidente del Columbia del 1° febbraio 2003 di cui vengono usati alcune parti, della Asteroid Redirect Mission della quale vengono ripresi gli obiettivi di portare un equipaggio umano al di fuori dell'orbita terrestre.
Nonostante la NASA, con il programma Apollo, abbia già portato un equipaggio sul nostro satellite per cinque volte tra il 1969 e il 1972, sono necessari una serie di avanzamenti tecnologici per raggiungere l’obiettivo per diverse ragioni:
Lo scopo: l’obiettivo delle missioni Apollo era quello di portare un equipaggio sulla superficie della Luna e riportare gli astronauti a casa sani e salvi. L’obiettivo del programma Artemis è invece quello di creare una colonia permanente sulla Luna e usare il nostro satellite come “trampolino di lancio” per Marte. Questo comporta un'architettura più complessa e lo sviluppo di veicoli, infrastrutture e procedure aggiuntive rispetto al programma Apollo.
La sicurezza: le missioni Apollo sono state molto rischiose come dimostrano la tragedia dell’Apollo 1 e quella sfiorata dell’Apollo 13 evitata solo per la competenza delle persone coinvolte. Oggi la sensibilità sulla sicurezza è molto aumentata e le varie componenti devono quindi garantire la massima affidabilità.
La tecnologia: le tecnologie utilizzate negli anni ’60 e ’70 sono ormai obsolete. Bisogna reingegnerizzare tutti i sistemi integrando le nuove tecnologie sviluppate.
I costi: le missioni Apollo erano costosissime e oggi il bilancio della NASA non permetterebbe un esborso paragonabile. Va quindi strutturato il programma in modo da ridurre i costi il più possibile. Questo comporta anche che i costi vengono diluiti nel tempo e quindi una tempistica più lunga.
Il programma è troppo ambizioso per essere portato a termine da una sola nazione soprattutto in tempi dove i governi non intendono spendere molto per l’esplorazione spaziale.
Per questo la NASA ha creato un framework per la partecipazione internazionale al programma Artemis chiamato Artemis Accords (Accordi Artemis) che prevendono una serie di principi che le nazioni che vogliono partecipare al programma devono rispettare.
Formalmente non sono un trattato internazionale ma accordi bilaterali tra gli Stati Uniti d’America e gli altri stati partecipanti.
Ogni stato, oltre a rispettare i 10 principi, concorda con gli Stati Uniti quale sarà il suo contributo e quali benefici avrà dal programma. Al 28/01/2025, sono 53 i paesi che hanno firmato gli accordi Artemis.
Anche alle compagnie private viene affidato un ruolo fondamentale con una serie di obiettivi:
Ridurre i costi di sviluppo ed esercizio dei vari componenti del programma
Far contribuire il capitale privato allo sviluppo del programma
Far nascere un’economia lunare, garanzia di permanenza anche se i governi dovessero decidere di non continuare a finzanziare l'esplorazione.
Poiché Artemis è un programma di esplorazione e per sua natura l’esplorazione si occupa dell’ignoto, il programma non è ben definito in tutte le sue parti, ma dovrà essere costruito tendendo conto di quello che si imparerà man mano.
La NASA ha però definito e sta costruendo diversi componenti e infrastrutture che serviranno a implementarlo e una serie di missioni che gradualmente dimostreranno le capacità che via via riusciamo a raggiungere e ci daranno le informazioni per predisporre le future missioni.
Credit: NASA
Componenti
I componenti che la NASA ha messo a punto o sta costruendo per implementare il programma Artemis sono i seguenti:
Capsula Orion: è il mezzo di trasporto degli astronauti che sarà lanciato con il razzo SLS e porterò gli astronauti fino all'orbita lunare. Deve mantenere un ambiente ideale per la vita degli astronauti e garantire protezione dal calore generato al rientro in atmosfera.
Space Launch System (SLS): è il razzo che permette agli astronauti di lasciare la Terra e raggiungere la Luna.
Sistemi di Terra (EGS): sono tutti i sottosistemi di supporto all'assemblaggio e al lancio di tutti i componenti: edifici di assemblaggio e stoccaggio, siti di test, serbatoi di carburante, rampa di lancio, software.
Lunar Gateway: stazione spaziale in orbita intorno alla Luna che serve come appoggio per gli astronauti e per le comunicazioni con la Terra.
Human Landing System (HLS): modulo di allunaggio per portare gli astronauti dall'orbita alla superficie della Luna.
Tute Spaziali: tute per permettere agli astronauti di sopravvivere nell'ambiente lunare privo di atmosfera e con elevati livelli di radiazioni.
Lunar Terrain Veichle (LTV): rover per permettere agli astronauti di spostarsi sulla superficie della Luna.
Lunar Cruiser: ambiente pressurizzato semovente per permettere lunghi spostamenti sulla Luna.
Moduli abitativi: moduli fissi pressurizzati all'interno dei quali gli astronauti possono restare senza tuta e saranno utilizzati per lunghe permanenze sul suolo lunare.
Space Launch System (SLS)
Ad oggi, l’unica tecnologia che permette di lasciare la Terra è quella dei razzi, che, attraverso una reazione chimica, producono la spinta necessaria per vincere la gravità della terra.
Per l'esplorazione del nostro satellite, sia robotica che umana, serve un razzo con queaste caratteristiche
Capacità di portare verso la Luna decine di tonnellate di carico utile
Un alto livello di affidabilità per il trasporto di astronauti
La NASA ha progettato e costruito con l’aiuto di Boeing lo Space Launch System, un razzo che riutilizza diversi componenti e tecnologie dello Space Shuttle, quali i motori e i booster a stato solido, aggiornati per il nuovo vettore.
Lo Space Launch System è un razzo a due stadi alimentato a idrogeno ed ossigeno liquidi con l’aggiunta di due booster con propellente solido.
Il razzo è composto dai seguenti elementi:
Motori RS-25D per la spinta al primo stadio, gli stessi che hanno volato con lo Space Shuttle, costruiti da Aerojet Rocketdyne che verranno rimodernizzati con nuova avionica e software di controllo. Ci sono 14 motori disponibili dal programma Space Shuttle che saranno usati nei primi quattro lanci di SLS. Dal quarto lancio verranno usati motori di nuova costruzione leggermente più potenti e meno costosi.
Stadio principale (core stage), costruito da Boeing, che contiene i serbatoi di ossigeno e idrogeno liquido. E' alto 64,6 m e ha un diametro di 8,4 m. Lo stadio è diviso in 5 sezioni, dal basso verso l'alto:
La sezione dei motori, dove si trova l'alloggiamento dei quattro motori RS-25D
Il serbatorio dell'idrogeno liquido
L'Intertank, Una sezione di separazione dei due serbatoi
Il serbatoio dell'ossigeno liquido
La forward skirt, una sezione di connessione con lo stadio superiore
Lo stadio principale non subirà modifiche nelle versioni successive del lanciatore.
I Booster laterali, derivati da quelli dello Space Shuttle. Sono composti da 5 sezioni di propellente, una in pià dei booster dello Shuttle. Parte dell'hardware è recuperato da questi ultimi. Sono alti 54,1m con un diametro di 3,7m e danno una spinta di 14.679 kN per 126s grazie ad un motore RS-25.
Secondo stadio a idrogeno ed ossigeno liquidi costruito da Boeing e spinto dai motori RL10 di Aerojet Rocketdyne
Sono previste tre versioni del razzo, ognuna delle quali ha una configurazione per equipaggio e una per altri carichi.
Credit: NASA
Sistemi di terra (EGS)
Per la gestione dell'harware e delle comunicazioni vengono utilizzate una serie di infrastrutture a terra che insieme formano l' Exploration Ground System (EGS).
Fanno parte dell'EGS:
gli edifici per la costruzione, l'assemblaggio, i test e lo stoccaggio delle varie componenti da lanciare. Oltre ai centri di produzione delle varie aziende coinvolte,
le infrastrutture utilizzate per il lancio.
le infrastrutture per la comunicazione con le navicelle durante la permanenza nello spazio.
Credit: NASA
Capsula Orion
Per raggiungere la Luna serve un mezzo che ci permetta di portare sul nostro satellite persone e materiali e di riportarli sulla Terra.
Questo mezzo deve avere le seguenti caratteristiche
Spazio abitabile pressurizzato e schermato per gli astronauti
Sistemi di supporto vitale per la produzione di aria respirabile e acqua potabile, il mantenimento delle condizioni di temperatura e pressione ottimali per la vita
Resistenza al calore e alle forze presenti al rientro nell’atmosfera
La NASA, con l’aiuto dell’azienda americana Lockeed Martin, ha progettato e costruito una capsula chiamata Orion in grado di far sopravvivere gli astronauti nel tragitto tra Terra e Luna e nel rientro in atmosfera.
La capsula Orion è formata da due componenti principali:
Il modulo per l’equipaggio, con lo spazio abitabile e uno scudo termico per il rientro in atmosfera
Il modulo di servizio costruito dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA) con i sistemi di supporto vitale, energetico e propulsivo
I due moduli vengono integrati e lanciati insieme. Una volta in orbita il modulo di servizio fornisce la spinta per il viaggio verso la luna e l’inserimento in orbita.
La Orion non può “allunare” ma solo raggiungere l’orbita del nostro satellite.
Finita la missione, il modulo di servizio fornisce la spinta per tornare in orbita terrestre. A questo punto la capsula per l’equipaggio e il modulo di servizio si separano.
Il modulo con l’equipaggio effettua le manovre di rientro, ed esegue uno spashdown nell’oceano riportando gli astronauti sulla Terra.
Il modulo di servizio viene invece bruciato nell’atmosfera.
Né il modulo per l’equipaggio né quello di servizio sono riutilizzabili, ogni missione Artemis avrà quindi una capsula Orion costruita appositamente. Alcuni sistemi vengono però recuperati dopo l'atterraggio e montati sulla capsula successiva.
Nel processo di costruzione e integrazione intervengono diversi attori. In Europa viene costruito il modulo di servizio (ESM):
Thales Alenia Space (Torino): Si occupa della realizzazione della struttura portante dell'ESM, inclusi i componenti in alluminio e in materiali compositi, che costituiscono il "backbone" del modulo. La struttura di base e i pannelli protettivi vengono costruiti e assemblati qui prima di essere spediti ad Airbus.
Airbus Defence and Space (Brema): Dopo la produzione della struttura in Italia, l'ESM viene spedito a Brema, dove Airbus si occupa dell'integrazione dei sistemi interni, come i serbatoi di propellente, i pannelli solari, e gli altri sottosistemi critici. Airbus guida anche l'assemblaggio finale e l'integrazione dei componenti provenienti da altre aziende europee.
Trasferimento al Kennedy Space Center: l'ESM viene imbarcato e inviato al Kennedy Space Center in Florida per l'integrazione con il modulo per l'dequipaggio e i test finali.
Negli Stati Uniti d'America viene inevce costruito il modulo per l'equipaggio:
Assemblaggio principale: La capsula Orion viene prodotta presso Lockheed Martin a Denver, dove si installano i principali sottosistemi per la gestione e il supporto dell'equipaggio.
Trasferimento al Kennedy Space Center: Dopo l'assemblaggio, la capsula viene spedita al KSC, dove l’installazione dello scudo termico è completata da Lockheed Martin insieme agli specialisti della NASA.
Test finale e integrazione: Al KSC, vengono eseguiti i test finali sul modulo per l'equipaggio, incluso lo scudo termico, per garantire che tutti i sistemi funzionino perfettamente e siano pronti per la missione.
Al KSC vengono poi integrati i vari moduli: prima l'EMS con il crew module adapter ai quali viene poi integrato il modulo per l'equipggio.
Credit: ESA
Lunar Gateway
Per permettere una presenza costante umana nello spazio lunare è stato pensato un punto di appoggio vicino alla Luna, che funga sia da centro logistico che da puto sicuro in caso di emergenza per gli astronauti che andranno sulla Luna. Almeno inizialmente non abbiamo esperienza di come possiamo costruire un simile habitat sulla superficie lunare, ma abbiamo ormai decenni di esperienza su come fare sopravvivere gli astronauti in orbita terrestre. Si è quindi deciso di costruire una stazione in orbita lunare, sfruttando tutto quello che è stato imparato dall’esperienza della Stazione Spaziale Internazionale (ISS).
Questa stazione orbitante è stata chiamata Lunar Gateway e ha diversi obiettivi:
Fare da base e centro logistico per gli atterraggi sulla Luna
Mantenere le comunicazioni con la terra, anche dal lato nascosto della Luna
Garantire il supporto vitale agli astronauti
Fungere da punto sicuro in caso di emergenza
Fare da centro di controllo per eventuali operazioni robotiche comandate a distanza senza avere il ritardo di circa due secondi che si avrebbe da Terra.
Il Gateway sarà composto dai seguenti moduli:
PPE (Power and Propulsion Element): modulo di propulsione per il mantenimento dell’orbita e per la generazione di energia tramite pannelli solari. Sarà prodotto dall'azienda americana Maxar Technologes.
HALO (Habitation and Logistics Outpost): modulo per lo stoccaggio di materiale e scorte e con spazio abitabile per 2 astronauti. Sarà fornito dall'azienda americana Northrop Grumman che ha delegato la produzione a Thales Alenia Space.
Lunar I-HAB (Lunar International Habitation module): modulo abitabile fornito dalle agenzie spaziali europea (ESA) e giapponese (JAXA). Sarà costruito da Thales Alenia Space joint venture tra l'azienda italiana Leonardo e la francese Thales già costruttrice di diversi moduli della stazione spaziale internazionale
ESPRIT (European System Providing Refueling, Infrastructure and Telecommunication): sarà diviso in due segmenti: il primo denominato Lunar Link servirà per le comunicazioni con la superficie lunare e con la Terra; il secondo denominato Lunar View avrà serbatoi per lo stoccaggio del carburante, porte per l'attracco delle navicelle di rifornimento e una finestra per poter osservare all'esterno. Il modulo sarà costruito da Thales Alenia Space.
CanadArm3: braccio robotico per operazioni di assemblaggio e attracco delle navicelle di rifornimento, costruito da MDA Space, azienda canadese che ha già fornito i bracci robotici per la stazione spaziale internazionale.
Crew and Science Airlock module: camera di depressurizzazione che permette l’uscita degli astronauti per le attività extraveicolari. Sarà fornito dagli Emirati Arabi e costruito al Mohammed bin Rashid Space Centre
Il Lunar Gateway sarà rifornito da due navicelle cargo:
Dragon XL, sviluppata da SpaceX come evoluzione della capsula Dragon in versione cargo, che attualmente rifornisce la stazione spaziale internazionale.
HTV-XG, sviluppato dall’agenzia spaziale giapponese (JAXA) derivato dalla navetta HTV-X che rifornisce la stazione spaziale internazionale.
Inoltre, attraccheranno al Gateway
La capsula Orion per il trasporto degli astronauti
L’HLS per l’allunaggio
Il Lunar Gateway sarà inserito in una particolare orbita denominata HALO, questo permette di “vedere” sempre sia la Luna che la Terra
Credit: NASA
Human Landing System
La capsula Orion permette di raggiungere l’orbita della Luna ma non di allunare.
Per questa operazione necessario un nuovo componente che sia in grado di scendere dall’orbita fino alla superficie e poi ritornare in orbita.
Questa componente è stata denominata Human Landing System (HLS) ed è stata appaltata ad aziende private con una richiesta di proposte nel 2018
Terminato il processo di selezione, sono state scelte due proposte:
Starship HLS si SpaceX, selezionata dalla NASA ad Aprile 2021.
Blue Moon di Blue Origin
SpaceX ha proposto di utilizzare l’astronave che sta sviluppando, Starship, per l’atterraggio sulla Luna.
Starship è stata progettata, secondo la filosofia di SpaceX, per fare il pià possibile nello spazio: rilascio di satelliti, rifornire le stazioni spaziali e per i voli interplanetari inoltre è progettata per essere interamente riutilizzabile e quindi poter rientrare sulla Terra. Ha proporzioni gigantesche: è alta più di 50 metri e dalle previsioni potrebbe portare fino a 100 tonnellate di materiale sulla Luna e fino a 100 astronauti.
È alimentata a metano ed ossigeno liquidi, elementi che si pensa possano essere prodotti anche sulla Luna e su Marte. Sarà lanciata con il razzo Super Heavy anch’esso di SpaceX.
Per il programma Artemis è sovradimensionata, infatti, sarà usata per allunare due sole persone.
Sono previste diverse configurazioni di Starship a seconda dell’utilizzo.
Per il programma Artemis SpaceX ha progettato una configurazione che non prevede il rientro a Terra.
L’HLS infatti dovrà attendere la Orion in orbita Lunare, ricevere due astronauti mentre altri due rimarranno sulla Orion e allunare. Una volta completate le operazioni sulla superficie, gli astronauti ritornano sul HLS che riparte verso l’orbita lunare. Gli astronauti tornano sulla Orion e con questa ritornano alla Terra.
Starship HLS
Per permettere alla Starship di arrivare sulla Luna sarà necessario rifornirla in orbita, in quanto il carburante caricato alla partenza sarà sufficiente solo per l’inserimento in orbita terrestre.
Oltre alla Starship che atterrerà sulla Luna, bisognerà quindi lanciare altre decine di Starship che conterranno il carburante che verrà usato per riempire i serbatoi della Starship Lunare.
Essendo alta più di 50 mt e poiché la parte abitabile per gli astronauti sarà sulla punta, sarà necessario avere un ascensore che permetta agli astronauti di scendere sulla superficie della Luna.
La Starship è ancora in sviluppo, al momento sono stati fatti 4 lanci con prototipi di test e SpaceX sta procedendo con un processo iterativo che permette di migliorare il prototipo dopo ogni test.
Dai dati ottenuti nei primi lanci di test, SpaceX ha definito una roadmap per passare ad una versione 2 di Starship, probabilmente la prima che effettuerà lanci commerciali e quella che sarà usata per Artemis, e successivamente una versione 3 ancora più imponente che sarà la versione definitiva e quella usata per i viaggi interplanetari.
Blue Moon è il Lander lunare proposto da un consorzio di aziende con a capo Blue Origin ed è il secondo selezionato dalla NASA come lander del programma Artemis.
L'architettura di missione prevede tre componenti che verranno lanciati con lanci distinti uilizzando il vettore New Glenn di Blue Origin:
il lander Blue Moon construito da Blue Origin che servirà per portare gli astronauti sulla superficie lunare.
il Cislunar Trasponder constrito da Lokeed Martin, usato per portare il propellente dall'orbita terrestre al lander in orbita lunare.
un serbatorio che verrà lanciato carico di carburante che trasferirà al Trasponder in orbita terrestre.
Il primo ad essere lanciato sarà il Cislunar Trasponder che verrà parcheggiato in orbita terrestre bassa e sarà raggiunto da una serie di serbatoi che lo riforniranno di propellente.
Viene poi lanciato il lander che verrà posizionato in un orbita NRHO intorno alla Luna dove verrà raggiunto dal Trasponder che trasferirà al lander il propellente necessario per le operazioni di allunaggio.
Il lander di aggancerà al Lunar Gateway dove attenderà l'arrivo degli astronauti con la capsula Orion per portarli sulla superficie lunare.
Finita la missione, il lander rimarrà in orbita lunare mentre il Trasponder tornerà in orbita terrestre, entrambi in attesa della prossima missione.
Blue Moon
Credit: Blue Origin
Credit: SpaceX
Credit: SpaceX
Link
Tute Spaziali
Lo spazio è un ambiente ostile e l’uomo deve essere protetto per poter sopravvivere, per questo vengono sviluppate apposite tute. Per il programma Artemis sono in sviluppo due tipi di tute:
Orion Crew Survival System Suite, prodotte per la NASA dall’azienda David Clark che serviranno a proteggere gli astronauti all’interno della capsula Orion da possibili emergenze, ad esempio la depressurizzazione della capsula, ma non sono dotate di supporto vitale.
Extravehicular Mobility Unit (EMU) prodotte per la NASA da Axiom Space, che serviranno per le operazioni di superficie e sono dotate di supporto vitale e schermatura dalle radiazioni.
Credit: Axiom Space
Link
Lunar Terrain Veichle
Per le operazioni sulla superficie della luna, se si vuole spostarsi più di qualche centinaio di metri dal luogo di atterraggio, sarà necessario avere un veicolo per muoversi più velocemente.
Il veicolo dovrà muoversi con propulsione elettrica in quanto sulla Luna non essendoci atmosfera i motori a combustione non funzionano, inoltre dovrà gestire la polvere lunare che, a causa dell’elettrostaticità, è molto appiccicosa e rischia di rovinare parti meccaniche ed elettroniche.
Credit: NASA
La NASA ha assegnato dei finanziamenti a tre gruppi di aziende per lo studio preliminare di un veicolo che possa muoversi sulla superficie lunare chiamato Lunar Terrain Veichle (LTV). I tre progetti selezionati sono:
Moon Racer di Intuitive Machines
FLEX di Atrolab Venturi
Lunar Dawn di Lunar Outpost
Nel 2025 verrà selezionato uno dei progetti per l’implementazione.
Lunar Cruiser
Per supportare viaggi più lunghi e confortevoli, la NASA in collaborazione con l'agenzia spaziale giapponese (JAXA) sta sviluppando un mezzo di trasporto per uomini e cose che sia pressurizzato, in modo che chi si trova all’interno non debba indossare le tute con supporto vitale.
Il veicolo, denominato Lunar Cruiser, permetterà viaggi fino a qualche decina di giorni e dovrà quindi garantire la sopravvivenza degli astronauti per questo lasso di tempo, si tratta quindi di un modulo abitabile mobile.
Credit: Toyota
Surface Habitat
Il programma Artemis si propone di fondare una base permanente sulla Luna. Si stanno quindi progettando moduli abitativi che permettano agli astronauti di vivere sulla superficie del nostro satellite prima per qualche settimana e poi in modo permanente.
Sono allo studio diversi progetti sia per moduli di superficie che sotterranei. Attualmente i progetti coinvolti nel programma Artemis sono:
Fundation Habitat: in studio alla NASA come primo modulo abitabile. Dovrebbe ospitare fino a 4 astronauti per almeno 30 giorni di permanenza.
Multi Purpose Habitation Module (MPH) dell'agenzia spaziale italia (ASI) in collaborazione con Thales Alenia Space. Il progetto ha avuto il via libera dal Mission Concept Review Board della NASA per passare alla prossima fase di progettazione ed essere integrato nel programma Artemis. Ci vorranno ancora due anni di studio prima di iniziare la construzione del primo prototipo. Il modulo sarà lungo sei metri e largo tre con una massa di qauindici tonnellate ed è progettato per due astronauti che potranno viverci per periodi da 7 a 30 giorni. Sarà dotato di ruote per potersi spostare in caso di necessità.
Credit: Thales Alenia Space
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