Giuseppe Colombo: il matematico che rivoluzionò l’esplorazione spaziale

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Con l’obiettivo di svelare i misteri di Mercurio, il pianeta più vicino al Sole e tra quelli meno conosciuti del sistema solare, il 20 ottobre 2018 è iniziata la missione BepiColombo, frutto della collaborazione tra l’Agenzia spaziale europea (Esa) e l’Agenzia spaziale giapponese (Jaxa), con importanti contributi della comunità scientifica italiana. Per raggiungere la sua destinazione, BepiColombo ha utilizzato il nostro pianeta come “fionda gravitazionale” per deviare la traiettoria verso il sistema solare interno. Il nome della missione è un omaggio al matematico Giuseppe Colombo, soprannominato Bepi da amici e colleghi, che contribuì più volte all’esplorazione dello spazio come nella missione Giotto (per studiare la famosa cometa di Halley), nel progetto della sonda spaziale Solar Probe (per studiare il Sole) e nella missione Galileo (per lo studio di Giove).

La fama di Colombo rimane legata soprattutto al metodo della fionda gravitazionale, ormai molto utilizzato nella dinamica spaziale. Scoperto dal matematico statunitense Michael Minovitch e noto anche come gravity-assist o fly-by, questo metodo utilizza la gravità di un pianeta durante un passaggio ravvicinato per modificare la velocità e la traiettoria di una sonda spaziale senza impiegarne i motori e permettendo quindi di risparmiare carburante (grazie a questa manovra, la BepiColombo risparmia ben 450 kg di propellente su quello previsto altrimenti).

La prima sonda a utilizzare l’effetto fionda è stata nel 1973 la Mariner 10 diretta verso Venere e Mercurio. Nel febbraio del 1970, durante una conferenza per preparare e discutere i dettagli della missione, Colombo aveva fatto notare che, modificando alcuni parametri dell’orbita della sonda, sarebbe stato possibile effettuare tre passaggi ravvicinati con Mercurio invece dell’unico previsto dagli scienziati della Nasa, prolungando così la raccolta di dati sul pianeta. Lanciata il 3 novembre da Cape Canaveral, la Mariner 10 raccolse le prime immagini ravvicinate dell’atmosfera di Venere e utilizzò questo pianeta come fionda gravitazionale verso Mercurio che sorvolò una prima volta il 29 marzo 1974, una seconda volta il 21 settembre dello stesso anno e, infine, una terza il 16 marzo 1975 permettendo la ripresa di migliaia di immagini. In totale fu fotografato il 45% della superficie mostrando una forte somiglianza della superficie di Mercurio con quella della Luna, con numerosi crateri e ampie pianure laviche.

Oggi, le fionde gravitazionali sono utilizzate per pianificare viaggi interplanetari che vogliono sfruttare anche la Terra come primo passo verso i pianeti più distanti. Ancora sotto la guida di Colombo il metodo è stato utilizzato per le missioni Voyager (in particolare per la Voyager 2, che dopo il fly-by di Giove fu prima diretta verso Saturno e poi, grazie a successivi assist gravitazionali, verso Urano e Nettuno). 

UNA CARRIERA BRILLANTE

Nato a Padova il 2 ottobre 1920, nono di dieci fratelli, Colombo dopo la maturità classica nel 1939 entrò alla Normale di Pisa. La chiamata alle armi lo costrinse tuttavia a interrompere gli studi per andare in guerra sul fronte russo. Fu tra i pochi che riuscirono a rientrare, ferito e con una medaglia al valore militare, e nel 1943 si laureò in matematica.

La sua carriera universitaria lo portò a insegnare nelle università di Catania, Modena, Genova e nella stessa Scuola Normale finché nel 1961 tornò a quella di Padova.

Per meglio comprendere la sua attività scientifica è necessario ricordare la data storica del 4 ottobre 1957 quando l’Unione Sovietica lanciò lo Sputnik, il primo satellite artificiale, perché è proprio in questo contesto che Colombo iniziò a farsi notare nella comunità scientifica. Nel 1958 pubblicò un importante articolo sul Giornale di Fisica dal titolo: Il problema del movimento di un satellite artificiale nel campo di influenza del sistema Terra-Luna e negli anni diventò uno dei massimi esperti mondiali di meccanica celeste. A partire dal 1961 fu uno dei consulenti della Nasa nella progettazione di alcune missioni spaziali pensate per studiare i pianeti del sistema solare. Colombo morì prematuramente a Padova il 20 febbraio 1984, due anni prima che la sonda Giotto incontrasse nel marzo 1986 la cometa di Halley e senza neppure assistere all’incontro della Voyager 2 con Urano (24 gennaio 1986) e Nettuno (25 agosto 1989). Era stato proprio lui a proporre il nome della sonda Giotto in omaggio alla cometa che Giotto aveva dipinto nell’“Adorazione dei Magi” della Cappella degli Scrovegni.

UN LEGAME SPECIALE CON MERCURIO

Mercurio è sempre molto prossimo al Sole e quindi la sua osservazione è piuttosto difficile. Per molto tempo è stato poco studiato ma gli astronomi non hanno mai rinunciato a cercare di individuare dettagli della sua superficie.

Il primo che tentò di disegnarne una mappa fu l’astronomo italiano Giovanni Virginio Schiaparelli, verso la fine del XIX secolo. Schiaparelli fu anche il primo a ipotizzare che Mercurio compisse una rotazione completa attorno al proprio asse in 88 giorni, cioè nello stesso tempo in cui completava una rivoluzione attorno al Sole.

Il lavoro di mappatura del pianeta proseguì negli anni Trenta del Novecento con l’astronomo greco Eugène Michel Antoniadi, ma una conoscenza approfondita della morfologia e della struttura interna del pianeta è giunta soltanto nella seconda metà dello scorso secolo, prima con le osservazioni da Terra (sia radioastronomiche sia ottiche) e poi con le missioni spaziali.

La prima importante scoperta fu che in realtà, a differenza di quanto aveva proposto Schiaparelli, il periodo di rotazione non è uguale a quello di rivoluzione. Osservazioni radar, effettuate nel 1965 presso l’Osservatorio di Arecibo a Puerto Rico, portarono al valore di circa 59 giorni il periodo di rotazione. Questo significa che i due periodi (rivoluzione e rotazione) stanno in rapporto 3:2 (nel linguaggio degli astronomi si dice che sono in “risonanza orbitale” 3:2) o, detto altrimenti, che il pianeta compie tre rotazioni esatte attorno al proprio asse ogni due rivoluzioni attorno al Sole.

Fu proprio Colombo, nell’articolo Rotational Period of the Planet Mercury pubblicato su Nature nel 1965, a elaborare un modello matematico che indicava come una risonanza 3:2 fra i due periodi fosse una soluzione stabile per il moto di Mercurio.

I SATELLITI AL GUINZAGLIO

Oltre a Mercurio, il nome di Colombo è legato al progetto Tethered, meglio noto come “satellite al guinzaglio”, che aveva l’obiettivo di generare energia elettrica direttamente nello spazio sfruttando l’induzione elettromagnetica. I primi studi sui sistemi Tethered furono compiuti dallo scienziato italiano Mario Grossi nel 1972. Successivamente Colombo contribuì in maniera significativa al progetto: nel 1976 studiò il caso di un satellite da cui pendeva un lungo cavo che, orbitando attorno al nostro pianeta, attraversava le linee di forza del campo magnetico terrestre creando così una “dinamo spaziale”. Purtroppo, anche in questa occasione, Colombo non potè assistere alla realizzazione delle sue idee.

Dopo vari studi di fattibilità, il Tethered Satellite System 1 (Tss-1), un satellite di circa 1,5 metri di diametro sviluppato dall’Agenzia spaziale italiana, fu “lanciato” solo nel 1992 in occasione della missione STS-46 dello Space Shuttle Atlantis, con l’astronauta italiano Franco Malerba nell’equipaggio. In questa prima missione furono effettuate molte scoperte sulla dinamica dei sistemi Tethered, anche se, per un problema meccanico, il cavo che teneva il satellite legato allo Shuttle si srotolò solo per 260 metri contro i 20,7 km previsti. Nonostante l’inconveniente, tutta la strumentazione scientifica sul satellite e all’interno dello Shuttle funzionò alla perfezione e fu possibile confermare la stabilità del sistema dei due corpi in volo tenuti dal cavo e l’effettiva corrente elettrica nel cavo. In altre parole si dimostrò la fattibilità di rilasciare, controllare e recuperare il satellite, in condizioni impreviste, per metterlo a disposizione di un nuovo esperimento nel corso di una seconda missione.

In effetti un secondo tentativo, con il satellite Tss-1R (R significava Reflight), fu compiuto nel 1996 con la missione STS-75 dello Space Shuttle Columbia alla quale parteciparono gli astronauti italiani Maurizio Cheli e Umberto Guidoni. L’obiettivo era quello di capire che cosa succedeva a pieno regime, quando il cavo era completamente estratto. L’esperimento purtroppo non andò come previsto perché un corto circuito spezzò il cavo quando la lunghezza era già di 19,7 km, cioè a solo 1 km dalla fine dello srotolamento. Una volta spezzato il cavo, non fu più possibile recuperare il satellite che andò perso. A causa delle difficoltà emerse nel corso di queste due missioni, i satelliti al guinzaglio non hanno avuto ulteriore diffusione.

Probabilmente l’idea del satellite al guinzaglio è la più originale tra quelle sviluppate dall’insuperabile Colombo che, armato di una fantasia disarmante, nella sua carriera dimostrò di sapersi muovere, con sorprendente facilità, tra varie tematiche lasciando importanti contributi in molti ambiti della scienza e dell’ingegneria spaziale.