Andare nello spazio è difficile, ma tornare lo è quasi altrettanto. Quando una capsula rientra nell'atmosfera terrestre viaggia a circa 28.000 chilometri orari se arriva dall'orbita bassa, e quasi a 40.000 se torna dalla Luna. A quelle velocità l'aria davanti al veicolo viene compressa così violentemente da trasformarsi in un plasma incandescente che supera i 1.500 gradi. Senza una protezione adeguata, qualsiasi navicella brucerebbe come una meteora. Per questo uno dei componenti più importanti di un veicolo spaziale è lo scudo termico.
Il paradosso dello scudo d'aria
La cosa curiosa è che la prima protezione di un veicolo in rientro è l'aria stessa. Il calore non nasce tanto dall'attrito, come spesso si dice, ma dalla compressione: davanti alla capsula si forma un'onda d'urto, uno strato di gas compresso e surriscaldato. Gli ingegneri degli anni Cinquanta scoprirono che una forma appuntita, come quella di un proiettile, era la scelta peggiore: l'onda d'urto restava attaccata al veicolo e gli trasferiva gran parte del calore.
La soluzione, proposta dall'ingegnere della NASA Harry Julian Allen, fu controintuitiva: usare una forma tozza e arrotondata. Con un fondo largo e smussato l'onda d'urto si stacca dal veicolo e si forma un cuscinetto di gas che lo separa dall'aria più calda. È il principio del corpo tozzo, e spiega perché le capsule Mercury, Gemini, Apollo, Soyuz, Orion e Crew Dragon hanno tutte quella caratteristica forma a campana.
Scudi che si consumano
La forma da sola non basta. Serve anche un materiale capace di resistere al calore residuo. La soluzione più usata è lo scudo ablativo: uno strato di materiale che, scaldandosi, si carbonizza e si consuma lentamente. Evaporando, porta via calore e crea un ulteriore strato di gas protettivo. In pratica lo scudo si sacrifica per proteggere l'equipaggio.
Le capsule Apollo usavano un materiale chiamato Avcoat, una resina riempita in una struttura a nido d'ape. Una versione aggiornata dello stesso materiale protegge oggi la capsula Orion del programma Artemis. Le capsule Dragon di SpaceX usano invece un materiale a base di carbonio e resina fenolica, il PICA-X.
Le piastrelle dello Shuttle
Lo Space Shuttle seguiva un'altra strada: doveva essere riutilizzabile, quindi non poteva avere uno scudo che si consumava. La sua pancia era rivestita da oltre 20.000 piastrelle di silice, un materiale così isolante che si poteva tenere in mano un pezzo ancora rovente ai bordi pochi secondi dopo averlo tolto dal forno. Il muso e i bordi delle ali, le parti più esposte, erano protetti da pannelli in carbonio-carbonio rinforzato.
Questo sistema era efficace ma fragile. Nel febbraio 2003 lo Shuttle Columbia si disintegrò durante il rientro: al decollo un pezzo di schiuma isolante staccatosi dal serbatoio esterno aveva colpito e forato il bordo di un'ala. I gas caldi entrarono nella struttura e i sette astronauti a bordo persero la vita. La tragedia mostrò quanto lo scudo termico sia l'elemento da cui dipende tutto.
Scudi gonfiabili
Una delle novità più promettenti degli ultimi anni sono gli scudi termici gonfiabili. L'idea è semplice: più grande è lo scudo, più il veicolo rallenta negli strati alti dell'atmosfera, dove l'aria è rarefatta, e meno calore riceve. Ma uno scudo rigido di grandi dimensioni non entra in un razzo.
La NASA ha sviluppato per questo la tecnologia HIAD (Hypersonic Inflatable Aerodynamic Decelerator): una serie di anelli di tessuto ad alta resistenza che si gonfiano come una ciambella a strati, rivestiti da una coperta termica flessibile. Nel novembre 2022 il test LOFTID ha portato in orbita uno scudo di questo tipo di circa 6 metri di diametro, lanciato insieme a un satellite meteorologico. Lo scudo si è gonfiato, è rientrato nell'atmosfera ed è stato recuperato nell'oceano Pacifico in buone condizioni.
Scudi di questo tipo potrebbero servire a far atterrare su Marte carichi molto più pesanti di quelli attuali. L'atmosfera marziana è sottilissima: frena poco, ma abbastanza da scaldare un veicolo. Finora il limite pratico è stato di circa una tonnellata, la massa di rover come Curiosity e Perseverance. Per portare habitat e astronauti servono decelerazioni molto più efficaci.
Proteggersi dal Sole
Non tutti gli scudi servono per il rientro. La sonda Parker Solar Probe, lanciata nel 2018 per avvicinarsi al Sole come nessun oggetto prima, è protetta da uno scudo in carbonio-carbonio spesso circa 11 centimetri che, nei passaggi più ravvicinati, affronta temperature di oltre 1.300 gradi. Dietro lo scudo gli strumenti lavorano a temperatura quasi ambiente.
Anche il telescopio spaziale James Webb ha uno scudo, ma per il motivo opposto: deve restare freddissimo. Il suo parasole a cinque strati, grande quanto un campo da tennis, lo protegge dalla luce e dal calore del Sole, della Terra e della Luna, mantenendo gli specchi sotto i -220 gradi.
Scudi contro le radiazioni
C'è poi un altro nemico, invisibile: le radiazioni. Fuori dalla protezione del campo magnetico terrestre gli astronauti sono esposti ai raggi cosmici e alle particelle emesse dal Sole durante le tempeste solari. Gli scudi fisici, come pareti d'acqua o di polietilene, aiutano ma pesano. Da anni si studiano anche scudi "attivi", basati su campi magnetici o elettrici generati attorno all'astronave per deviare le particelle cariche, un po' come fa la magnetosfera con la Terra. Per ora sono soprattutto progetti di ricerca: generare campi abbastanza intensi richiede magneti superconduttori e molta energia.
Le onde d'urto che si formano davanti a un veicolo velocissimo si possono perfino fotografare, come ha fatto la NASA con i jet supersonici nell'esperimento raccontato nell'articolo sulle onde d'urto supersoniche.
La protezione degli equipaggi è uno dei temi centrali delle future missioni lunari e marziane, e riguarda già oggi chi vive per mesi sulla Stazione Spaziale Internazionale. Per saperne di più sul test degli scudi gonfiabili si può consultare la voce di Wikipedia dedicata a LOFTID. Altri articoli sulle tecnologie spaziali si trovano nella sezione Tecnologia.
