Quando, alla fine degli anni '60 del secolo scorso, gli Stati Uniti sono riusciti a mettere piede sulla Luna, i sistemi di collegamento e di posizionamento satellitare sulla Terra muovevano ancora ai primi passi. Sono passati oltre 50 anni e, con l'imminente ritorno umano sulla Luna, con programmi oramai consolidati come Artemis della NASA, e quelli più o meno ipotizzati da Russia e Cina, oltre, naturalmente alla schiera di esploratori robotici si fa sempre più forte la richiesta di sistemi di comunicazione e posizionamento. Questo sia intorno alla sfera di influenza lunare che, soprattutto, sulla superficie. Per ovviare a questo gap esistente al momento in occidente, sono in fase di progettazione, più o meno avanzata, sistemi che possano ovviare a questo problema. Un primo precursore potrebbe essere la missione Lunar Pathfinder dell'ESA, l'Agenzia Spaziale Europea. Dopo il Consiglio Ministeriale Europeo dello Spazio di Siviglia tenutosi nel 2019, nel quale l'agenzia spaziale Britannica (UK Space) e la società SSTL (Surrey Satellite Technology Ltd) annunciavano l'investimento di 374 milioni di Sterline nel programma, è iniziata la fase di implementazione del primo veicolo spaziale appositamente ideato per la ri-trasmissione dati lunare.

La sonda Lunar Pathfinder è progettata per fornire servizi di comunicazione a prezzi accessibili alle missioni lunari tramite collegamenti in banda S e UHF alle risorse lunari sulla superficie e in orbita attorno alla Luna e un collegamento in banda X verso la Terra. Già entro il 2023, la navicella Lunar Pathfinder, da 280 kg, sarà un aiuto alle missioni polari e lontane, che, senza una linea di vista diretta della Terra, dovrebbero altrimenti procurarsi il proprio satellite di trasmissione. Esattamente come fatto dai cinesi con Queqiao per poter avere le immagini ed i dati della missione Chang'e-4 dalla faccia nascosta della Luna. Lunar Pathfinder è un'alternativa più conveniente alle soluzioni Direct-to-Earth e un'alternativa credibile alle stazioni terrestri istituzionali nello spazio profondo, offrendo ai veicoli in orbita e alle missioni sul lato vicino una migliore disponibilità, una maggiore sicurezza e una migliore velocità di trasmissione dei dati.

Nel grafico un esempio di come funziona il satellite cinese Queqiao, nel ritrasmettere i dati dal lander Chang'e-4 sul lato nascosto della Luna. Credit: ESA/Maxi

"La Luna è una pietra angolare della strategia di esplorazione dell'ESA," afferma David Parker, direttore dell'esplorazione umana e robotica dell'ESA, "in questo decennio vedremo umani e robot visitare territori inesplorati e tornare con nuove scoperte, le comunicazioni sono la chiave per inviare dati scientifici e operativi sulla Terra. Stiamo tornando sulla Luna con partner commerciali e internazionali e la missione Lunar Pathfinder sarà parte integrante". Per supportare la crescente domanda da parte delle missioni lunari è un chiaro obiettivo nella comunità scientifica di intraprendere uno studio e un'analisi dettagliati del bacino di Aitken, nel Polo sud lunare. Lunar Pathfinder intende operare in un'orbita ellittica stabile in L2 per fornire una visibilità di lunga durata dell'emisfero lunare meridionale ogni giorno, massime opportunità per la trasmissione e la ricezione dei dati tra la Terra e la superficie lunare. Il programma Artemis della NASA prevede anche "l'atterraggio della prima donna americana e del prossimo uomo americano al Polo Sud della Luna entro il 2024, seguito da una presenza sostenuta sulla Luna intorno al 2028" e Lunar Pathfinder sta di conseguenza lavorando per un lancio nel quarto trimestre 2023 per supportare le prime missioni della NASA. I lander lunari, i rover e gli impattatori di superficie privati e di agenzie potranno anche registrarsi per utilizzare le comunicazioni lunari e i servizi di navigazione forniti da Pathfinder e dalla futura costellazione per le operazioni di missione primaria, per fornire capacità aggiuntiva o come servizio di riserva. Per la prospezione, l'esplorazione e, infine, l'utilizzo del lato opposto e dei poli della Luna, un servizio di ritrasmissione delle comunicazioni è indispensabile per la missione, fornendo il ponte vitale tra la Terra e la superficie lunare per lander e rover lunari. L'esplorazione del lato più lontano della Luna, in particolare il bacino del Polo Sud di Aitken, è un'area chiave per la futura esplorazione robotica e umana a causa della sua composizione chimica e minerale e la possibilità della presenza di acqua ghiacciata. L'orbita ellittica stabile di Pathfinder e la futura costellazione consentiranno una visibilità di lunga durata dell'emisfero lunare meridionale ogni giorno, con le massime opportunità per la trasmissione e la ricezione dei dati tra la Terra e la superficie lunare.

Nel grafico un esempio di come i segnali Galileo si estendono oltre la Terra. Credit: ESA

Ma anche i servizi di posizionamento globale, come GPS e Galileo, utilizzati sulla Terra comunemente ogni giorno, possono tornare utili sulla Luna. I satelliti di navigazione come la costellazione europea Galileo hanno lo scopo di fornire servizi di posizionamento, navigazione e temporizzazione al nostro pianeta, quindi la maggior parte dell'energia delle loro antenne di navigazione si irradia direttamente verso il disco terrestre, bloccandone l'uso per gli utenti più lontani nello spazio. "Ma questa non è tutta la storia," spiega Javier Ventura-Traveset, a capo del Galileo Navigation Science Office dell'ESA che coordina le attività di navigazione lunare dell'ESA. "I modelli dei segnali di navigazione si irradiano anche lateralmente, come la luce di una torcia, e test eseguiti in passato mostrano che queste antenne, i lobi laterali, possono essere utilizzati per il posizionamento, a condizione che siano implementati ricevitori adeguati." Proprio come le persone o le automobili a Terra, i satelliti nell'orbita terrestre bassa fanno molto affidamento sui segnali del navigatore satellitare per determinare la loro posizione orbitale, e poiché l'ESA ha dimostrato che il posizionamento in orbita più alta era possibile, un numero crescente di satelliti in orbita geostazionaria oggi utilizza ricevitori satellitari. Ma l'orbita geostazionaria è da 35.786 km in su, mentre la Luna è più di dieci volte più lontana, a una distanza media di 384.000 km. Nel 2019, tuttavia, la Missione Multiscala Magnetosferica della NASA ha acquisito segnali GPS per eseguire un fix e determinarne l'orbita da 187.166 km di distanza, vicino alla metà della distanza Terra-Luna. Javier aggiunge: "Questa prova sperimentale di successo ci ha fornito un'elevata fiducia poiché il ricevitore che imbarcheremo su Lunar Pathfinder avrà una sensibilità notevolmente migliorata, utilizzerà segnali Galileo e GPS e sarà anche dotato di un'antenna satellitare ad alto guadagno". Oltre a Lunar Pathfinder l'ESA ha lanciato un'iniziativa chiamata Moonlight che, nei primi mesi del 2021, assegnerà dei primi contratti per la studio di satelliti lunari che potrebbero entrare in servizio dopo il 2028.

Nell'illustrazione artistica il test di tecnologia 4G della Nokia sulla Luna . Credit: ESA

Spostandoci sulla superficie lunare la NASA, nell'ottobre del 2020, ha selezionato la compagnia Nokia per la realizzazione di un sistema di prova 4G/LTE per le comunicazioni sulla Luna. La rete lunare di Nokia è costituita da una stazione base LTE con funzionalità EPC (Evolved Packet Core) integrate, apparecchiature utente LTE, antenne RF e software di controllo di operazioni e manutenzione (O&M) ad alta affidabilità. La stazione base LTE con funzionalità EPC integrate sarà montata sul modulo di atterraggio, mentre l'apparecchiatura utente LTE sarà montata su un rover o altri carichi utili distribuiti all'esterno del lander. La rete cellulare completamente integrata soddisfa i vincoli di dimensioni, peso e potenza molto rigorosi dei carichi utili di spazio in un fattore di forma estremamente compatto. Il lander Nova-C, della compagnia privata Intuitive Machines, verrà lanciato con un razzo vettore Falcon 9 di SpaceX ed eseguirà per conto NASA la missione. La seconda parte è l'equipaggiamento utente (UE) e un'antenna omnidirezionale che sarà integrata in un rover. I rover saranno trasportati sulla superficie lunare e dispiegati autonomamente dal lander lunare. Verrà stabilito un collegamento LTE tra il lander e il rover per fornire connettività alla superficie lunare. Il rover avrà due obiettivi: il primo testare la comunicazione di prossimità molto ravvicinata fino a un paio di centinaia di metri e il secondo testare la comunicazione a lungo raggio con un raggio di due o tre chilometri dal lander. La parte finale del sistema è un software operativo e di manutenzione personalizzato in modo che l'intero sistema possa essere monitorato e configurato dal controllo della missione sulla Terra. La missione è attualmente prevista per ottobre 2021.

Da parte sua l'Italia, con la società Argotec, diventata famosa per aver inviato nel 2015, sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS), la prima macchina per il caffè espresso, ha progettato una costellazione di satelliti per l'orbita lunare: ANDROMEDA.

Esempio della costellazione ANDROMEDA di Argotec attorno alla Luna. Credit: Argotec

Il programma prende il nome dalla costellazione della sfera celeste, ma si tratta di una vera e propria costellazione nanosatellitare per ambiente lunare molto innovativa. Forte della propria esperienza in ambito satellitare, essendo la prima azienda in Europa nella produzione di satelliti di piccole dimensioni in grado di operare nello spazio profondo (con Argomoon che volerà l'anno prossimo con SLS verso la Luna), Argotec ha deciso di pensare i prodotti in modo nuovo, ancora più innovativo. Da tempo l’azienda torinese sta studiando l’utilizzo della propria piattaforma satellitare Hawk per sviluppare una costellazione lunare allo scopo di fornire supporto alle comunicazioni (voce, dati, video, web, ecc.) per le attività scientifiche, tecnologiche e commerciali in ambiente lunare. La costellazione ANDROMEDA, affiancata da un satellite che opererà come ripetitore dei dati, fornirà accesso alla connessione dati in tempo reale in orbita lunare. Questo servizio permetterà di rispondere alle esigenze di una vasta gamma di utilizzatori finali: dalle agenzie spaziali ad altri enti istituzionali che necessiteranno di supporto per missioni lunari scientifiche e tecnologiche. Inoltre il progetto lunare di Argotec è scalabile anche per altri corpi celesti.

Insomma, come si vede i progetti per riuscire a gestire al meglio le comunicazioni con le future missioni lunari non mancano.

E dopo... Marte?