SATELLITI ARTIFICIALI: A COSA SERVONO, COME FUNZIONANO, TIPI, IMPORTANTI - ARTE - 2025

I satelliti sono veicoli o dispositivi costruiti appositamente per essere rilasciati nello spazio senza equipaggio, al fine di orbitare attorno alla Terra o ad altri corpi celesti.

Le prime idee sulla costruzione di satelliti artificiali provenivano da autori di fantascienza, ad esempio Jules Verne e Arthur C. Clark. Quest'ultimo era un ufficiale radar della Royal Air Force e, alla fine della seconda guerra mondiale, concepì l'idea di utilizzare tre satelliti in orbita attorno alla Terra per mantenere una rete di telecomunicazioni.

Figura 1. Satellite artificiale in orbita attorno alla Terra. Fonte: Wikimedia Commons.

A quel tempo, i mezzi non erano ancora disponibili per posizionare un satellite in orbita. Ci vollero ancora alcuni anni all'esercito degli Stati Uniti per produrre le prime comunicazioni satellitari all'inizio degli anni '50.

La corsa allo spazio tra gli Stati Uniti e l'Unione Sovietica ha rafforzato l'industria dei satelliti artificiali. Il primo messo in orbita con successo è stato il satellite Sputnik sovietico nel 1957 ed ha emesso segnali nella gamma 20-40 MHz.

Questo è stato seguito dal lancio di Echo I da parte degli Stati Uniti, per scopi di comunicazione. Da allora, numerosi lanci in orbita sono stati seguiti da entrambe le potenze e, successivamente, molti paesi hanno aderito alla nuova tecnologia.

A cosa servono i satelliti artificiali?

-Nelle telecomunicazioni, per la ritrasmissione di messaggi radiofonici, televisivi e da cellulare.

-Nella ricerca scientifica e meteorologica, inclusa la cartografia e le osservazioni astronomiche.

-Per scopi di intelligence militare.

-Per la navigazione e la localizzazione, essendo il GPS (Global Positioning System) uno dei più conosciuti.

-Per monitorare la superficie terrestre.

-Nelle stazioni spaziali, progettato per sperimentare la vita al di fuori della Terra.

Come funzionano?

Nei suoi Principia, Isaac Newton (1643-1727) stabilì ciò che era necessario per posizionare un satellite in orbita, sebbene invece di un satellite usasse come esempio una palla di cannone sparata dalla cima di una collina.

Sparato con una certa velocità orizzontale, il proiettile segue la consueta traiettoria parabolica. Aumentando la velocità, la portata orizzontale diventa sempre più grande, qualcosa che era chiaro. Ma una certa velocità farà entrare il proiettile in orbita attorno alla Terra?

La Terra curva da una linea tangente alla superficie alla velocità di 4,9 m ogni 8 km. Qualsiasi oggetto rilasciato dal riposo cadrà a 4,9 m durante il primo secondo. Pertanto, quando si spara il proiettile orizzontalmente da un picco con una velocità di 8 km / s, cadrà a 4,9 m durante il primo secondo.

Ma in quel lasso di tempo la Terra sarà anche scesa di 4,9 m, curvando sotto la palla di cannone. Questa continua a muoversi orizzontalmente, coprendo gli 8 km e rimarrebbe alla stessa altezza rispetto alla Terra durante quel secondo.

Naturalmente la stessa cosa accade dopo il secondo successivo e in tutti i secondi successivi, trasformando il proiettile in un satellite artificiale, senza alcuna propulsione aggiuntiva, purché non ci sia attrito.

Tuttavia, l'attrito causato dalla resistenza dell'aria è inevitabile, motivo per cui è necessario un razzo booster.

Il razzo solleva il satellite a una grande altezza, dove l'atmosfera più sottile offre meno resistenza e gli fornisce la velocità orizzontale necessaria.

Tale velocità deve essere maggiore di 8 km / se inferiore a 11 km / s. Quest'ultima è la velocità di fuga. Proiettato a questa velocità, il satellite abbandonerebbe l'influenza gravitazionale della Terra, andando nello spazio.

Struttura satellitare artificiale

I satelliti artificiali contengono vari meccanismi complessi per svolgere le loro funzioni, che implicano la ricezione, l'elaborazione e l'invio di vari tipi di segnali. Devono inoltre essere leggeri e avere autonomia di funzionamento.

Le strutture principali sono comuni a tutti i satelliti artificiali, che a loro volta hanno più sottosistemi a seconda dello scopo. Sono montati in un alloggiamento in metallo o altri composti leggeri, che funge da supporto ed è chiamato autobus.

Sull'autobus puoi trovare:

- Il modulo di controllo centrale, che contiene il computer, con il quale vengono elaborati i dati.

- Ricezione e trasmissione di antenne per la comunicazione e la trasmissione di dati tramite onde radio, nonché telescopi, telecamere e radar.

- Un sistema di pannelli solari sulle ali, per ottenere l'energia necessaria e batterie ricaricabili quando il satellite è in ombra. A seconda dell'orbita, i satelliti necessitano di circa 60 minuti di luce solare per ricaricare le batterie, se sono in orbita bassa. I satelliti più distanti trascorrono molto più tempo esposti alla radiazione solare.

Poiché i satelliti passano molto tempo esposti a questa radiazione, è necessario un sistema di protezione per evitare danni ad altri sistemi.

Le parti esposte diventano molto calde, mentre all'ombra raggiungono temperature estremamente basse, perché non c'è abbastanza atmosfera per regolare i cambiamenti. Per questo motivo i termosifoni devono eliminare il calore e le coperture in alluminio per conservare il calore quando necessario.

Tipi di satelliti artificiali

A seconda della loro traiettoria, i satelliti artificiali possono essere ellittici o circolari. Naturalmente, ogni satellite ha un'orbita assegnata, che è generalmente nella stessa direzione in cui ruota la Terra, chiamata orbita asincrona. Se per qualche motivo il satellite viaggia nella direzione opposta, allora ha un'orbita retrograda.

Sotto la gravità, gli oggetti si muovono in percorsi ellittici secondo le leggi di Keplero. I satelliti artificiali non sfuggono a questo, tuttavia, alcune orbite ellittiche hanno un'eccentricità così piccola da poter essere considerate circolari.

Le orbite possono anche essere inclinate rispetto all'equatore terrestre. Ad un'inclinazione di 0º sono orbite equatoriali, se sono di 90º sono orbite polari.

Anche l'altitudine del satellite è un parametro importante, poiché tra i 1500 - 3000 km di altezza si trova la prima cintura di Van Allen, una regione da evitare a causa del suo alto tasso di radiazione.

Figura 2. Orbite, altitudini e velocità dei satelliti artificiali. I satelliti in disuso passano nell'orbita del cimitero, sebbene ci siano resti in tutte le orbite. Fonte: Wikimedia Commons.

Orbite satellitari

L'orbita del satellite viene scelta in base alla missione che ha, poiché ci sono altezze più o meno favorevoli per diverse operazioni. Secondo questo criterio, i satelliti sono classificati come:

- LEO (Low Earth Orbit) , sono alte tra i 500 ei 900 km e descrivono un percorso circolare, con periodi di circa 1 ora e mezza e un'inclinazione di 90º. Sono utilizzati per telefoni cellulari, fax, cercapersone personali, per veicoli e per imbarcazioni.

- MEO (Medium Earth Orbit) , si trovano ad un'altitudine compresa tra 5000-12000 km, inclinazione di 50º e un periodo di 6 ore circa. Sono anche impiegati nei telefoni cellulari.

- GEO (Geosynchronous Earth Orbit) , o orbita geostazionaria, anche se c'è una piccola differenza tra i due termini. I primi possono essere di inclinazione variabile, mentre i secondi sono sempre a 0º.

In ogni caso sono in quota -36.000 km più o meno-. Percorrono orbite circolari in periodi di 1 giorno. Grazie a loro, tra gli altri servizi sono disponibili fax, telefonia a lunga distanza e televisione satellitare.

Figura 3. Diagramma delle orbite dei satelliti artificiali. 1) Terra. 2) LEONE. 3) MEO, 4) Orbite geosincrone. Fonte: Wikimedia Commons.

Satelliti geostazionari

All'inizio i satelliti di comunicazione avevano periodi diversi dalla rotazione terrestre, ma questo rendeva difficile il posizionamento delle antenne e la comunicazione si perdeva. La soluzione era posizionare il satellite ad un'altezza tale che il suo periodo coincidesse con quello della rotazione terrestre.

In questo modo il satellite orbita insieme alla Terra e sembra essere fisso rispetto ad essa. L'altezza richiesta per posizionare un satellite in orbita geosincrona è di 35786,04 km ed è nota come cintura di Clarke.

L'altezza dell'orbita può essere calcolata stabilendo il periodo, usando la seguente espressione, derivata dalla Legge di Gravitazione Universale di Newton e dalle leggi di Keplero:

Dove P è il periodo, a è la lunghezza del semiasse maggiore dell'orbita ellittica, G è la costante universale di gravitazione e M è la massa della Terra.

Poiché in questo modo l'orientamento del satellite rispetto alla Terra non cambia, garantisce che avrà sempre contatto con esso.

I più importanti satelliti artificiali della Terra

Sputnik

Figura 4. Replica dello Sputnik, il primo satellite artificiale in orbita della storia. Fonte: Wikimedia Commons.

È stato il primo satellite artificiale nella storia dell'umanità, messo in orbita dall'ex Unione Sovietica nell'ottobre 1957. Questo satellite è stato seguito da altri 3, nell'ambito del programma Sputnik.

Il primo Sputnik era piuttosto piccolo e leggero: 83 kg di alluminio principalmente. Era in grado di emettere frequenze comprese tra 20 e 40 MHz. Rimase in orbita per tre settimane, dopodiché cadde sulla Terra.

Le repliche dello Sputnik possono essere viste oggi in molti musei nella Federazione Russa, in Europa e persino in America.

La navetta spaziale

Un'altra ben nota missione con equipaggio è stata lo Space Transport System STS o Space Shuttle, che è stato in funzione dal 1981 al 2011 e ha partecipato, tra le altre importanti missioni, al lancio del Telescopio Spaziale Hubble e della Stazione Spaziale Internazionale, oltre alle missioni di riparazione di altri satelliti.

Lo Space Shuttle aveva un'orbita asincrona ed era riutilizzabile, poiché poteva andare e venire sulla Terra. Dei cinque traghetti, due sono stati distrutti accidentalmente insieme ai loro equipaggi: il Challenger e il Columbia.

Satelliti GPS

Il Global Positioning System è ampiamente noto per la localizzazione precisa di persone e oggetti in qualsiasi parte del globo. La rete GPS è composta da almeno 24 satelliti d'alta quota, di cui ci sono sempre 4 satelliti visibili dalla Terra.

Sono in orbita a un'altitudine di 20.000 km e il loro periodo è di 12 ore. Il GPS utilizza un metodo matematico simile alla triangolazione per valutare la posizione degli oggetti, chiamato trilaterazione.

Il GPS non si limita alla localizzazione di persone o veicoli, ma è anche utile per cartografia, rilevamento, geodesia, operazioni di soccorso e pratiche sportive, tra le altre importanti applicazioni.

Il telescopio spaziale Hubble

È un satellite artificiale che offre immagini ineguagliabili inedite del sistema solare, delle stelle, delle galassie e dell'universo distante, senza che l'atmosfera terrestre o l'inquinamento luminoso blocchino o distorcano la luce distante.

Figura 5. Vista del telescopio spaziale Hubble. Fonte: NASA tramite Wikimedia Commons.

Quindi, il suo lancio nel 1990 è stato il più notevole progresso dell'astronomia negli ultimi tempi. L'enorme cilindro da 11 tonnellate di Hubble si trova a un'altitudine di 548 km in orbita attorno alla Terra con un movimento circolare, con un periodo di 96 minuti.

Si prevede che sarà disattivato tra il 2020 e il 2025, sostituito dal telescopio spaziale James Webb.

Stazione Spaziale Internazionale

Conosciuto come ISS (International Space Station), è un laboratorio di ricerca orbitante, gestito da cinque agenzie spaziali in tutto il mondo. Finora è il più grande satellite artificiale esistente.

A differenza del resto dei satelliti, nella Stazione Spaziale ci sono esseri umani a bordo. Oltre all'equipaggio fisso di almeno due astronauti, la stazione è stata anche visitata da turisti.

Lo scopo della stazione è principalmente scientifico. Dispone di 4 laboratori in cui vengono studiati gli effetti della gravità zero e vengono condotte osservazioni astronomiche, cosmologiche e climatiche, oltre a vari esperimenti di biologia, chimica e influenza della radiazione su vari sistemi.

Chandra

Questo satellite artificiale è un osservatorio per rilevare i raggi X, che vengono assorbiti dall'atmosfera terrestre e quindi non possono essere studiati dalla superficie. La NASA lo mise in orbita nel 1999 tramite lo Space Shuttle Columbia.

Satelliti di comunicazione Iridium

Costituiscono una rete di 66 satelliti a un'altitudine di 780 km in orbite di tipo LEO, con un periodo di 100 minuti. Sono stati progettati dalla compagnia telefonica Motorola per fornire comunicazioni telefoniche in luoghi inaccessibili. Tuttavia, è un servizio ad altissimo costo.

Sistema satellitare Galileo

È il sistema di posizionamento sviluppato dall'Unione Europea, equivalente al GPS e per uso civile. Attualmente ha 22 satelliti operativi, ma è ancora in costruzione. È in grado di localizzare una persona o un oggetto con una precisione di 1 metro nella versione aperta ed è interoperabile con i satelliti del sistema GPS.

Serie Landsat

Sono satelliti appositamente progettati per l'osservazione della superficie terrestre. Hanno iniziato il loro lavoro nel 1972. Tra le altre cose, si occupano della mappatura del terreno, della registrazione delle informazioni sul movimento del ghiaccio ai poli e dell'estensione delle foreste, nonché della prospezione mineraria.

Sistema Glonass

È il sistema di geolocalizzazione della Federazione Russa, equivalente al GPS e alla rete Galileo.

Osservazione di satelliti artificiali

I satelliti artificiali possono essere visti dalla Terra dai dilettanti mentre riflettono la luce solare e possono essere visti come punti di luce, anche se il Sole è tramontato.

Per localizzarli, si consiglia di installare una delle applicazioni di ricerca satellitare sul telefono o consultare i siti Internet che tracciano i satelliti.

Ad esempio, il telescopio spaziale Hubble può essere visibile ad occhio nudo, o meglio ancora, con un buon binocolo, se sai dove guardare.

I preparativi per l'osservazione dei satelliti sono gli stessi che per l'osservazione degli sciami meteorici. I risultati migliori si ottengono nelle notti molto buie e limpide, senza nuvole e senza luna, o con la luna bassa all'orizzonte. Più sei lontano dall'inquinamento luminoso, meglio è, devi portare anche vestiti caldi e bevande calde.

Riferimenti

1. Agenzia spaziale europea. Satelliti. Estratto da: esa.int.
2. Giancoli, D. 2006. Fisica: principi con applicazioni. 6 °. Ed Prentice Hall.
3. Maran, S. Astronomy for Dummies.
4. POT. Informazioni sul telescopio spaziale Hubble. Estratto da: nasa.gov.
5. Cosa sono i satelliti artificiali e come funzionano? Estratto da: youbioit.com
6. Wikiversità. Satelliti artificiali. Estratto da: es.wikiversity.org.