OSIRIS-REx (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security, Regolith Explorer) è una missione della NASA per lo studio di asteroidi, e la restituzione a terra di campioni. L’obbiettivo principale della missione era ottenere un campione di almeno 60 grammi dell’asteroide carbonioso 101955 Bennu, un NEO (Near Earth Object) del gruppo Apollo potenzialmente pericoloso.
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Questo campione ritornerà a Terra per un’analisi dettagliata, così da consentire agli scienziati di comprendere la formazione ed evoluzione del nostro Sistema Solare grazie alla composizione di questo particolare corpo roccioso.
La sonda è stata lanciata l’8 settembre 2016 da Cape Canaveral, ha sorvolato la Terra il 22 settembre 2017 e ha incontrato l’asteroide Bennu il 3 dicembre 2018. Per due anni ha analizzato la sua superficie, e il 20 ottobre 2020 è atterrata su Bennu per raccogliere con successo un campione di materiale. Il 24 settembre 2023 la capsula contenente il campione sarà rilasciata nell’atmosfera terrestre e atterrerà nel deserto dello Utah.
Il costo della missione è stato di circa 800 milioni di dollari, escluso il veicolo di lancio che ammontava a circa 184.5 milioni di dollari. OSIRIS-REx è la terza missione scientifica planetaria nel programma New Frontiers della NASA, dopo JUNO e New Horizons. Il PI della missione è Dante Lauretta, dell’Università dell’Arizona.
OSIRIS-REx sarà la prima missione degli Stati Uniti a restituire campioni da un asteroide. L’hanno preceduta la sonda giapponese Hayabusa, che ha portato a Terra campioni da 25143 Itokawa nel 2010, e la giapponese Hayabusa2 che è tornata con campioni da 162173 Ryugu nel dicembre 2020.
La missione
Il lancio
La missione è cominciata l’8 settembre 2016 con il lancio di OSIRIS-REx alle 23:05 americane a bordo di un Atlas V 411 della United Launch Alliance da Cape Canaveral. La configurazione del razzo consisteva in un primo stadio alimentato da RD-180 con un singolo booster a combustibile solido AJ-60A, e uno stadio superiore Centaur.
OSIRIS-REx si è separato correttamente dal veicolo di lancio 55 minuti dopo l’accensione. Il lancio è stato dichiarato “esattamente perfetto” da Dante Lauretta, e privo di qualsiasi anomalia.
La fase di crociera
La sonda è entrata nella fase di crociera poco dopo la separazione, in seguito al dispiegamento dei pannelli solari, all’avvio del sistema di propulsione e all’istaurazione di un collegamento di comunicazione con la Terra. La sua velocità di fuga dalla Terra era di circa 5.41 metri al secondo.
Il 28 dicembre 2016 la sonda ha eseguito con successo la sua prima manovra nello spazio profondo, modificando la sua velocità. Successivamente, il 22 settembre 2017 ha sorvolato la Terra per una manovra di assist gravitazionale. Il 3 dicembre 2018 OSIRIS-REx ha raggiunto l’asteroide Bennu, a una distanza di circa 482 mila km dalla Terra.
Durante la fase di crociera, OSIRIS-REx è stata utilizzata per cercare gli asteroidi Troiani della Terra, mentre attraversava il punto Lagrangiano L4 del sistema Terra-Sole. Tra il 9 e il 20 febbraio 2017, il team di missione ha utilizzato la fotocamera MapCam della sonda per cercare questo gruppo di oggetti, scattando circa 135 immagini di rilevamento ogni giorno.
Anche se non sono stati trovati nuovi troiani oltre a quelli già conosciuti, la ricerca è servita come esercitazione per OSIRIS-REx in vista del suo futuro avvicinamento a Bennu, come test di ricerca di potenziali pericoli. Il 12 febbraio 2017 la PolyCam di OSIRIS-REx ha ripreso con successo Giove e tre delle sue Lune: Callisto, Io e Ganimede.
L’arrivo su Bennu
Il 3 dicembre 2018 OSIRIS-REx ha eguagliato la velocità e l’orbita di Bennu a una distanza di circa 19 km dall’asteroide. Successivamente, ha eseguito una serie di passaggi ravvicinati della superficie di Bennu, partendo da circa 6.5 km, per perfezionare ulteriormente l’orbita e scattare una serie di immagini.
Le indagini preliminari della superficie di Bennu hanno rilevato la presenza di minerali idrati sotto forma di argilla, che gli scienziati hanno ipotizzato appartenessero al corpo genitore di Bennu.
Il 31 dicembre 2018 OSIRIS-REx è entrato in orbita attorno a Bennu a una distanza di circa 1.75 km dalla superficie, e ha iniziato una lunga campagna di mappatura e rilevamento da remoto per selezionare un sito adatto al prelievo del campione. Un’orbita completa dell’asteroide da parte della sonda avveniva in 62 ore.
La strumentazione
La sonda trasporta apparecchiature di telecomunicazione, ma anche una serie di camere e strumenti per fotografare e analizzare l’asteroide Bennu su diverse lunghezze d’onda, oltre che strumenti per il recupero effettivo del campione.
OCAMS
La OSIRIS-REx CAMera Suite (OCAMS) è composta da tre diverse camere: Polycam, MapCam e SamCam. Insieme, le tre hanno acquisito informazioni sull’asteroide Bennu fornendo una mappatura globale, ricognizione e caratterizzazione del sito migliore per il prelievo del campione. Oltre che imaging ad alta risoluzione e la registrazione dell’acquisizione del campione.
PolyCam è un piccolo telescopio da 20 cm, che ha acquisito immagini in luce visibile durante l’avvicinamento a Bennu e immagini della superficie ad alta risoluzione durante l’orbita. MapCam è una camera per la mappatura nel blu, verde, rosso e vicino infrarosso, utile nella ricerca di corpi minori e nel fornire imaging ad alta risoluzione di diversi siti sulla superficie dell’asteroide. SamCam invece ha documentato continuamente l’acquisizione dei campioni.
OVIRS, OTES e REXIS
OVIRS (OSIRIS-REx Visible and IR Spectrometer) e OTES (OSIRIS-REx Thermal Emission Spectrometer) sono due spettrometri per la mappatura spettrale di minerali e sostanze organiche il primo, emissione termica nell’infrarosso il secondo.
I dati di entrambi gli strumenti sono stati utilizzati per un’analisi preliminare della composizione di Bennu, e per la ricerca del sito ideale per il prelievo del campione da parte della sonda. Gli intervalli spettrali e i poteri risolutivi di OVIRS e OTES sono stati sufficienti a fornire mappe superficiali dettagliate di Bennu.
Il Regolith X-Ray Imaging Spectrometer (REXIS) è sempre uno spettrometro che ha invece fornito una mappatura spettroscopica a raggi X di Bennu, utilissima a mappare le abbondanze degli elementi chimici che ne compongono la superficie.
REXIS è un telescopio a raggi X morbidi, che esegue imaging dell’emissione di linee di fluorescenza a raggi X prodotte dall’assorbimento dei raggi X solari e dal vento solare nella regolite di Bennu.
OLA
L’altimetro laser OSIRIS-Rex Laser Altimeter (OLA) è uno strumento in grado di scansionare la superficie di Bennu per fornire mappe topografiche globali ad alta risoluzione, in supporto a quelle ottenute con gli altri strumenti.
OLA dispone di un unico ricevitore comune e di due gruppi di trasmettitori complementari, che migliorano la risoluzione delle informazioni riportate.
TAGSAM
Il Touch-And-Go Sample Acquisition Mechanism (TAGSAM) è il sistema di restituzione del campione, costituito da una testa e da un braccio di 3.35 metri. Una fonte di azoto a bordo era in grado di supportare fino a tre tentativi di campionamento separati, per una quantità totale minima di 60 grammi a campione. I cuscinetti di contatto della superficie sarebbero stati in grado di raccogliere anche materiale a grana fine.
La velocità di avvicinamento al suolo relativa era pari a 10 centimetri al secondo, per un contatto stabilito entro 25 metri dalla posizione selezionata.
L’asteroide Bennu
101955 Bennu è un asteroide carbonioso del gruppo Apollo, classificato come Near Earth Object (NEO) potenzialmente pericoloso. Ha una probabilità di 1 su 1800 di colpire la Terra tra il 2178 e il 2290. Il rischio maggiore è previsto per il 24 settembre 2182.
Il nome di Bennu deriva dall’antico uccello mitologico egiziano associato al Sole, alla creazione e alla rinascita. L’asteroide è stato scoperto l’11 settembre 1999 dal progetto LINEAR (Lincoln Near Earth Asteroid Research), durante un’indagine sugli asteroidi vicini alla Terra.
Bennu ha un diametro medio di 490 metri e una forma somigliante a una trottola. L’asse di rotazione è inclinato di 178 gradi rispetto alla sua orbita, e viaggia in maniera retrograda. La sua superficie, dai dati ad alta risoluzione di OSIRIS-REx, risulta molto ruvida, con più di 200 massi più grandi di 10 metri sulla sua superficie, di cui il più grande ha un diametro di ben 58 metri.
Dalle analisi spettroscopiche di OSIRIS-REx, Bennu sembra essere un asteroide molto ricco d’acqua. Sarebbe composto in gran parte da fillosilicati, composti che trattengono l’acqua, e che secondo gli scienziati erano abbondanti nel corpo genitore dell’asteroide. L’acqua costituirebbe, secondo le stime date dalla missione, dall’1% al 6% del peso di Bennu, e potenzialmente molto di più.
Il motivo principale della scelta di questo target per OSIRIS-REx è stato che Bennu è una sorta di “capsula del tempo” proveniente dalla nascita del Sistema Solare. Si tratta di un asteroide considerato primitivo, che ha subito pochi cambiamenti geologici dal momento della sua formazione.
In particolare, Bennu è stato selezionato per la disponibilità di materiale carbonioso incontaminato, elemento chiave per la formazione di molecole organiche necessarie alla vita e rappresentativo della materia precedente alla formazione della Terra.
La scelta del sito di acquisizione e le prove
La NASA ha selezionato quattro siti candidati per l’acquisizione del campione nell’agosto 2019, denominati Nightingale, Kingfisher, Osprey e Sandpiper. Nel dicembre 2019, hanno annunciato che Nightingale era stato selezionato come sito di campionamento principale e Osprey come sito di backup. Entrambi si trovavano all’interno di crateri, con Nightingale vicino al polo nord di Bennu e Osprey vicino all’equatore.
La NASA aveva previsto di eseguire il campionamento vero e proprio il 25 agosto 2020, ma fu riprogrammato per il 20 ottobre 2020. Il 15 aprile dello stesso anno fu fatta la prima prova di raccolta del campione, presso il sito di campionamento di Nightingale. L’esercitazione ha portato OSIRIS-REx a una distanza di 65 metri dalla superficie.
Una seconda prova è stata completata con successo l’11 agosto 2020, portando OSIRIS-REx a 40 metri dalla superficie. Questa è stata la prova finale prima del prelievo vero e proprio del campione previsto ad ottobre.
Durante tutte queste prove, i pannelli solari sono stati sollevati in una configurazione a Y per ridurre al minimo la possibilità di accumulo di polvere durante il contatto con la superficie, e fornire una maggiore altezza dalla superficie in caso di ribaltamento.
Il prelievo del campione di Bennu
La fase di discesa verso l’asteroide del 20 ottobre 2020 è stata pianificata con grande attenzione per ridurre al minimo l’uso dei propulsori, evitando così la contaminazione della superficie dell’asteroide da idrazina non reagita. L’atterraggio è stato rilevato tramite accelerometri, e l’impatto è stato ammortizzato da una molla nel braccio TAGSAM.
Una volta a contatto con la superficie di Bennu, lo strumento TAGSAM ha rilasciato un’esplosione di gas azoto per raccogliere particelle di regolite più piccole di 2 centimetri nella sua testa. Un timer di cinque secondi ha limitato il tempo di raccolta per evitare collisioni, dopodiché la navicella si è allontanata in sicurezza dall’asteroide.
Successivamente, OSIRIS-REx aveva pianificato una manovra di frenata per arrestare la deriva dall’asteroide, nel caso fosse stato necessario un altro tentativo di campionamento. Tuttavia, questa manovra è stata annullata quando è stato evidente che era stato raccolto un eccesso di materiale, con parte che era fuoriuscita a causa di un blocco del meccanismo di apertura del contenitore. Il materiale è stato quindi immagazzinato immediatamente nella capsula di ritorno del campione.
Il 28 ottobre 2020, la testa del campionatore è stata fissata nella capsula di ritorno. Dopo la separazione dalla sonda, il braccio è stato ritirato nella sua configurazione di lancio e il coperchio della capsula di ritorno del campione è stato chiuso e bloccato in preparazione per il ritorno sulla Terra. I cuscinetti di contatto sulla testa di campionamento hanno raccolto grani di polvere più piccoli di 1 millimetro utilizzando minuscoli anelli di acciaio inossidabile.
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Il rientro a Terra del campione di Bennu
Nel pomeriggio italiano del 24 settembre, OSIRIS-REx porterà sulla Terra il campione raccolto nel 2020. Dopo sette anni dall’inizio della missione, una capsula contenente il campione sarà rilasciata dalla sonda per un atterraggio sicuro nel deserto dello Utah.
Durante il suo avvicinamento alla Terra, OSIRIS-REx non rallenterà mentre lascerà “cadere” la capsula. Una volta raggiunti i 102 mila chilometri al di sopra della superficie terrestre, un messaggio dagli operatori a Terra attiverà il rilascio della capsula, che sarà lanciata e ruoterà su se stessa verso l’atmosfera.
Dopo aver sfrecciato nello spazio per circa quattro ore, la capsula perforerà l’atmosfera terrestre alle 16:42 italiane del 24 settembre. Viaggerà a circa 44 mila km/h. A questo ritmo, la compressione dell’atmosfera terrestre produrrà energia sufficiente per avvolgere la capsula in una palla di fuoco. Uno scudo termico aiuterà a regolare la temperatura all’interno della capsula. Ciò manterrà il campione al sicuro a una temperatura simile a quella della superficie di Bennu.
Circa 20 minuti prima che la capsula atterri, quando è ancora alta al di sopra del velo dell’atmosfera terrestre, la squadra di recupero salirà a bordo di quattro elicotteri e si dirigerà nel deserto. Strumenti termici tracceranno il bagliore infrarosso della firma della capsula. Questo finché essa non risulterà visibile agli strumenti ottici, offrendo alla squadra di recupero un modo per tracciare il percorso della capsula verso la Terra.
L’obiettivo della squadra di recupero è recuperare la capsula da terra il più rapidamente possibile, per evitare di contaminare il campione con l’ambiente terrestre.
Il futuro: OSIRIS-APEX
Dopo aver espulso la capsula contenente il campione di Bennu, OSIRIS-REx sfrutterà il propellente rimasto per avvicinarsi ad un altro corpo asteroidale, 99942 Apophis. Si tratta un NEO (Near Earth Object) con un diametro di circa 370 metri, potenzialmente pericoloso per la Terra. Ha destato preoccupazioni nel 2004, quando si temeva un possibile impatto nel 2029. Ulteriori osservazioni hanno successivamente escluso questa possibilità, almeno per i prossimi 100 anni, riducendo l’incertezza sulla sua traiettoria.
Si prevede che OSIRIS-REx arriverà su 99942 Apophis nel 2029. Pochi giorni dopo il 13 aprile 2029 quando l’asteroide sarà nel punto della sua orbita più vicino alla Terra. In quell’occasione, Apophis sarà a circa 31 600 km sopra la superficie terrestre, ovvero più vicino dei satelliti posizionati in orbita geostazionaria. La distanza è comunque cinque volte maggiore del raggio della Terra, anche se dieci volte più vicina della Luna. Durante l’avvicinamento, la Terra perturberà Apophis e modificherà la sua orbita.
La missione OSIRIS-REx così estesa sarà rinominata OSIRIS-APEX (acronimo di OSIRIS-APophis EXplorer) e studierà 99942 Apophis per 18 mesi. In quel mentre, eseguirà una manovra simile a quella effettuata durante la raccolta dei campioni su Bennu, avvicinandosi alla superficie e azionando i suoi propulsori. Ciò esporrà il sottosuolo dell’asteroide e consentirà agli scienziati della missione di saperne di più sulle proprietà dei materiali dell’asteroide.
