Thales Alenia Space e l’azienda britannica QinetiQ hanno siglato un contratto di studio con l’agenzia spaziale Europea (ESA) per maturare lo sviluppo di Skimsat. Questo sarà il concept di una piattaforma satellitare presentato nel 2016 da Thales Alenia Space per dei satelliti in regime VLEO (Very Low Earth Orbit). La fascia orbitale VLEO è definita tra 250 e 400km di altitudine, e attualmente rappresenta un territorio inesplorato dall’industria aerospaziale, denso di opportunità e allo stesso tempo di sfide di natura tecnica.

Lo studio congiunto delle due aziende, a partire dal concept di Thales Alenia Space, intende maturare il design di un dimostratore tecnologico per un’orbita minore di 300km. Cardine di questo progetto è la propulsione elettrica ad alta efficienza, fondamentale per compensare la resistenza atmosferica, principale problematica nell’uso di quest’orbita. Skimsat è presentato come un veicolo capace di adattarsi a diverse tipologie di missione e sopratutto in grado di essere lanciato dall’emergente fetta di piccoli lanciatori.

L’accordo di studio è stato stipulato fra Thales Alenia Space Uk e il team belga di QinetiQ Space con l’ESA, all’interno del programma Discovery Preparation and Technology Development (DPTD).

L’utilizzo di un’orbita inesplorata dalla space economy

Ci sono diversi vantaggi che spingono l’industria a guardare con interesse ad un’orbita così bassa. Tra questi c’è sicuramente il fatto che lanciare satelliti in VLEO sta diventando sempre più semplice ed economico grazie all’importante espansione del mercato dei lanciatori. Sopratutto, per quanto riguarda i razzi di piccole dimensioni.

Il fattore principale rimane comunque l’incremento delle prestazioni dei satelliti, sopratutto per quanto concerne quelli di osservazione terrestre. Lo studio di Thales Alenia per un satellite in orbita a 160 km di quota, riportava una riduzione 4x per il diametro di apertura di un sensore ottico che abbia le stesse prestazioni di un satellite a 600 km, la quota tipica per i satelliti di osservazione terrestre.

Un altro beneficio della fascia VLEO è la riduzione dei detriti, uno dei problemi emergenti in questi anni, soprattutto a causa delle megacostellazioni. Utilizzando orbite così basse, i satelliti rientrano naturalmente nel giro di settimane o mesi, una volta in assenza di propulsione. Citando ancora lo studio di Skimsat, un satellite potrebbe rientrare in autonomia in soli 30 giorni dalla fine della missione.

Per ottenere questi vantaggi esistono però dei problemi collegati. Primo tra questi è indubbiamente la resistenza atmosferica che rende necessario un costante utilizzo del sistema propulsivo per mantenere l’orbita stabile nel tempo. Questo rende importante la quantità di propellente che il satellite è in grado d’imbarcare. Una possibile soluzione sono i sistemi ABEP (Atmosphere-breathing electric propulsion), un tipo di propulsione elettrica che sfrutta i gas presenti in orbita bassa come propellente.

Il secondo problema dell’orbita VLEO è invece l’ossigeno atomico. Questo elemento, presente solo in questa alta parte dell’atmosfera, è molto reattivo e tende a danneggiare diversi materiali utilizzati per i normali satelliti. In particolare, questo elemento diventa molto insidioso per gli apparati ottici dei satelliti per osservazione terrestre.

Infine, bisogna ripensare la forma dei bus satellitari. Generalmente la geometria del satellite non è molto rilevante nell’ambiente spaziale. Nel caso di orbite così basse è necessario considerare una configurazione più aerodinamica (come mostrato in figura poco sopra).

Il passato delle missioni in VLEO

Nonostante l’assenza d’iniziative commerciali nella più bassa orbita terrestre, esistono comunque delle missioni militari e scientifiche. Il primo in ordine di tempo è stata la serie di satelliti spia CORONA che hanno operato a cavallo degli anni 50 e 70 in un’orbita di 185x278km.

Uno sforzo più recente è quello di GOCE, una missione dell’ESA per lo studio del campo gravitazionale terrestre ad un’altezza di 255 km, che è stata attiva dal 2009 al 2013. Il satellite costruito sempre da Thales Alenia Space, ha utilizzato una propulsione elettrica a Xenon.

Un lavoro più approfondito sugli effetti della prossimità dell’atmosfera è stato realizzato dalla missione giapponese SLATS, lanciata nel 2017. Il satellite sviluppato dalla JAXA ha testato sette diverse quote VLEO per intervalli di una settimana, partendo da 272 km fino a raggiungere 187 km nel 2019. SLATS era dotato di un set di strumenti appositi per monitorare il degrado dei materiali e la presenza di ossigeno atomico.

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