Questo articolo nasce dalla necessità, probabilmente avvertita non solo dal sottoscritto, di avere un quadro chiaro dei fattori che limitano la vita operativa delle più famose sonde spaziali, in questo momento le uniche a trasmettere dati dallo spazio interstellare, oltre l'eliopausa. Lanciate nel lontano 1977 per sfruttare il favorevole "allineamento" dei pianeti giganti, i due viaggiatori dovevano semplicemente svolgere una visita ravvicinata di quei mondi lontani, e lo hanno fatto in maniera egregia, svelandoci molti misteri e bellezze nemmeno immaginabili. Esaurito questo compito e spenti molti strumenti, negli anni '90 si è capito che le due Voyager potevano proseguire il loro prezioso lavoro andando oltre e sondando le profondità dello spazio al di fuori del Sistema Solare.

 La Voyager 1 ha attraversato l'eliopausa (regione dove inizia il mezzo interstellare) il 25 agosto 2012, ad una distanza di 121,6 unità astronomiche dalla Terra (circa 18,1 miliardi di km). E' stata seguita, il 5 novembre 2018, dalla Voyager 2, a 119 unità astronomiche (circa 17,8 miliardi di km), più lenta e con una traiettoria non ottimizzata perchè impiegata per fare un tour completo sorvolando Giove, Saturno, Urano e Nettuno.

 Ora le due sonde si trovano rispettivamente a 160,5 e 133,8 Unità Astronomiche dal Sole e se ne allontanano a 16,9 e 15,3 km/s rispettivamente, una velocità ormai quasi costante data l'esigua forza di gravità esercitata dal Sistema Solare a questa distanza. Ma quanto ancora potrà durare questa avventura?

 

Una divulgazione mediocre

 Qui è necessario aprire una piccola parentesi polemica.

 Fino all'inizio del 2015, NASA e JPL pubblicavano settimanalmente i dati relativi al consumo di combustibile e alla disponibilità energetica a bordo dei due veicoli; poi la politica è cambiata e queste informazioni sono sparite dal Web. Forse, la persona addetta a stilare quei comunicati è andata in pensione o assegnata ad altra mansione "più produttiva" ma, purtroppo, questi dati aggiornati non sono disponibili nemmeno in forma estemporanea, dato che negli ultimi anni tutti i comunicati stampa ufficiali evitano di fornire simili informazioni e ci si limita ad accennare soltanto per quanti anni ancora le sonde dovrebbero funzionare.

 Non è facile spiegare una tale censura, sembra quasi che si vogliano tenere segrete queste informazioni, ma la cosa è improbabile perchè la politica di un ente pubblico come la NASA è sempre stata quella della massima trasparenza e visibilità. L'unica spiegazione "ragionevole" è che la NASA non voglia spaventare il grande pubblico con simili "tecnicismi", facendo a mio parere un grosso errore! Una simile politica, miope e votata alla banalizzazione degli argomenti "steam" pur di raggiungere un pubblico ampio, non costituisce affatto un buon servizio perchè non contribuisce a stimolare il desiderio di approfondire le conoscenze e magari colmare le proprie lacune nel pubblico più vasto, mentre lascia contemporaneamente insoddisfatto il pubblico più preparato ed appassionato! Purtroppo anche l'ESA segue una strategia simile, se non peggiore, e la scarsa considerazione che queste agenzie hanno nella capacità di comprensione ed approfondimento da parte del pubblico traspare dal raro utilizzo di diagrammi e tabelle (per non parlare delle formule!) e dal modo in cui sono scritti i comunicati stampa, con frequenti ripetizioni degli stessi concetti come se ci si rivolgesse ad un pubblico di persone affette da ritardo mentale oppure perennemente distratte!

 Fatta questa premessa amara, è stato necessario andare a riprendere quei vecchi dati ed estrapolarli negli anni successivi, sfruttando anche le frammentarie informazioni o indizi presenti in rete per ricostruire un quadro soddisfacente della situazione attuale e futura. Contrariamente a NASA ed ESA, farò uso di diagrammi e formule, il pubblico è avvertito!

Il problema del combustibile

 Le due sonde sono dotate di piccoli propulsori di manovra che consentono all'antenna del veicolo di rimanere orientata verso la Terra, cosa di vitale importanza perchè consente le comunicazioni. Per mantenere il giusto assetto, questi razzi sparano periodicamente piccoli impulsi, o "sbuffi", della durata di pochi millisecondi, consumando ogni volta una frazione di grammo di idrazina. Come raccontato in questo articolo di 5 anni fa, e come si vede chiaramente nel grafico sottostante, a partire dal 2014 gli ingegneri della missione hanno notato che i propulsori di Voyager-1 mostravano un calo di efficienza perchè dovevano effettuare più spinte del solito per sviluppare la stessa quantità di spinta; questo ha portato ad un consumo anomalo di circa 2,2 kg/anno, contro i 600 grammi annui tipici del periodo precedente e comuni a Voyager-2. Ciò è evidente dai rombi verdi chiari e scuri che rappresentano i dati ufficiali.

 Continuando con quei consumi, Voyager-1 avrebbe esaurito tutta l'idrazina a bordo grossomodo nel periodo attuale (metà 2023) e questo avrebbe decretato la fine della sua missione, dal momento che, non potendo più comunicare con la Terra, non avrebbe potuto inviare dati sia scientifici che telemetrici, né avrebbe potuto ricevere nuove istruzioni. Pertanto, nel 2018, si è deciso di sostituire i razzi di manovra con il sistema di correzione della traiettoria (TCM), più potente e destinato originariamente alle correzioni di rotta. Il sistema, simile a quello di controllo assetto, era stato utilizzato solo durante la fase di esplorazione planetaria e non veniva utilizzato da ben 37 anni, è stato riattivato con successo; anche se identico, per dimensioni e funzionalità, ai propulsori di controllo di assetto, il TCM era stato usato solo in modalità di accensione prolungata e non per brevi impulsi.

 Sulla base di queste informazioni, il diagramma sottostante estrapola l'andamento del combustibile a bordo delle due sonde. Se per Voyager-2 è sufficiente una estrapolazione lineare dei dati reali, con un tasso di consumo costante, per Voyager-1 si ipotizza, ragionevolmente, che il periodo di consumo anomalo sia terminato nel 2018, con il passaggio ai propulsori TCM e con il ritorno ad un tasso di consumo "normale" simile a quello della sonda gemella. Se ne deduce che, a metà 2023. il combustibile residuo deve essere poco più di 20 kg su Voyager-2 e circa 9 kg per Voyager-1; quest'ultima dovrebbe esaurire tutto il combustibile nel 2035, mentre la gemella potrebbe resistere fin oltre metà del secolo, se non fosse per l'altro collo di bottiglia, quello più importante...

Fuel and Power g


Il dilemma dell'energia

 Entrambe le sonde Voyager sono alimentate da un generatore termoelettrico a radioisotopi (RTG) che converte il calore generato dal decadimento naturale dei radioisotopi di plutonio-238 in energia elettrica tramite delle termocoppie in Silicio-Germanio, sfruttando l'effetto Seebeck. L'isotopo di Plutonio utilizzato è di origine artificiale ed è stato prodotto nei reattori nucleari; essendo instabile, decade in Uranio-234 (poco radioattivo) e lo fa con un tempo caratteristico (emi-vita) di 88 anni.  Con il decadimento del Plutonio, cala di anno in anno il calore prodotto e l'energia che da esso se ne può ricavare; in linea di principio, se alla partenza i generatori RTG erogavano 450 W, questo valore dovrebbe dimezzarsi a 225 W solo 88 anni dopo, nel lontano 2065; questo sarebbe comunque un livello di potenza ancora sufficiente a far funzionare le due sonde nella modalità attuale! Purtroppo, le cose stanno diversamente, perchè a decadere nel tempo non è solo la quantità di Plutonio ma anche l'efficienza dell'intero sistema che trasforma questo calore in energia elettrica utile.

RTG

Schematici interni e fotografia di una delle tre unità MHW-RTG installate su ciascuna Voyager, con all'interno 24 sfere di Plutonio, per un totale di 4,5 kg. - Credits: NASA/JPL  - Processing: Marco Di Lorenzo

 Per riuscire a stimare il tempo di dimezzamento efficace, che tiene conto anche dell'effetto del calo di efficienza, mi sono quindi basato sui dati reali forniti nei report settimanali tra il 1997 e il 2015, rappresentati come rombi blu e rossi nel grafico precedente. L'ipotesi, ragionevole a priori e confermata a posteriori dall'aderenza del modello ai dati sperimentali, è che l'andamento della potenza segua una legge esponenziale negativa del tipo:

P = P- [(t-t0)/τ]

 dove P0 è il valore iniziale di potenza al momento t0 della produzione del plutonio e τ (tau) è il tempo di decadimento efficace (che non è esattamente il tempo di dimezzamento ma è 1,44 volte maggiore). Sapendo che la potenza iniziale "di fabbrica" per le due unità RTG era 470 W e applicando il principio statistico dei minimi quadrati (riferito agli scarti tra i valori calcolati dalla formula suddetta e quelli reali) si possono ricavare i valori più verosimili degli altri parametri e si scopre che, per entrambe le sonde, il tempo di decadimento τ è di 66 anni e quindi quello di dimezzamento effettivo è poco sotto i 46 anni, mentre la data di fabbricazione risale al 1974, per la precisione in agosto per Voyager-1 e a dicembre per Voyager-2; questa differenza di età, peraltro, è il motivo per cui Voyager-2 ha sempre beneficiato di una potenza superiore dello 0,5% rispetto alla gemella. 

 Estrapolando queste leggi alle date successive (curve continue) scopriamo che attualmente la perdita di potenza disponibile si aggira sui 3,5 Watt all'anno e che il suddetto livello di potenza dimezzata a 225 Watt è stato già raggiunto proprio all'inizio di quest'anno, 42 anni in anticipo! Detto in un altro modo, in aggiunta al naturale decadimento del plutonio, l'efficienza del sistema di produzione dell'energia è ora scesa intorno all'83,5% rispetto a quella che era al momento del lancio.

 Per fare fronte a questo calo dell'alimentazione, gli ingegneri hanno spento progressivamente gli strumenti, i riscaldatori e altri sistemi non essenziali. Si è partiti dalle telecamere di bordo, non più utili dopo gli incontri planetari e disattivate tra la fine del 1989 e l'inizio del 1990 (non senza avere prima immortalato il celebre "ritratto di famiglia" del Sistema Solare, riportato qui sotto). Ma le opzioni erano finite e il team era pronto a sacrificare uno strumento scientifico.

Ritratto di Famiglia

Il "Ritratto di Famiglia" con la Terra definita da Sagan "Pale Blue Dot" - Credits: NASA/JPL - Processing: Marco Di Lorenzo

 La linea tratteggiata viola nel grafico mostra appunto il progressivo abbassamento del livello di soglia necessario a mantenere le Voyager in funzione. Mano a mano che venivano adottate le strategie di risparmio energetico, tale livello si è abbassato arginando così la progressiva perdita di potenza disponibile; la strategia attuale è quella di accendere uno strumento per volta in modo da minimizzare il consumo. Gli ultimi due provvedimenti riguardano lo spegnimento dei riscaldatori sullo strumento "Low Energy Charged Particle" (LECP) di Voyager-2 nel 2021 e, nei mesi scorsi, il by-pass del sistema di regolazione di tensione. Come illustrato in questo articolo, all'inizio del 2023 il team che segue la missione ha infatti disabilitato un circuito di sicurezza progettato per proteggere gli strumenti nel caso in cui ci fossero significativi sbalzi di tensione di alimentazione. Le Voyager sono dotate di un regolatore di tensione che attiva un circuito di backup e che sottrae una piccola quantità di energia proveniente dall'RTG. La modifica, non priva di rischio, è stata prima implementata sulla Voyager-2 e, se non ci saranno controindicazioni, verrà presto applicata alla gemella, permettendo di mantenere in vita tutti gli strumenti ancora per tre anni, fino al 2026 (punto di intersezione tra la linea viola e le due curve blu e rossa nel grafico).

 Questo, naturalmente, a meno che non si riesca ad escogitare qualche altra soluzione in extremis che possa erodere qualche altro prezioso Watt di margine. Si tenga comunque presente che, al di sotto di una certa potenza, la stessa antenna e il computer di bordo non potranno funzionare e tale "soglia vitale" dovrebbe aggirarsi sui 201 Watt. Pertanto, nella migliore delle ipotesi, sulla base del grafico potremmo sperare di comunicare con le sonde fino al 2031, magari ricevendo solo dati di telemetria e quindi con un ritorno scientifico vicino allo zero! 

 In conclusione, anche se sta per finire, quella delle sonde Voyager è stata un'avventura davvero epica che rimarrà nella storia dell'astronautica. Nonostante la tecnologia estremamente semplice e datata, la loro progettazione e la loro gestione si sono dimostrate formidabili, forse un esempio irripetibile. Non deve essere un caso se questi due gioielli siano stati realizzati negli stessi luoghi e nello stesso periodo (California, 1976) in cui nasceva la Apple e in cui G.Lucas e i suoi brillanti collaboratori  realizzavano il capolavoro cinematografico Guerre Stellari