La ISS è accelerata gravitazionalmente lungo un percorso curvo attorno alla Terra, il che le permette di rimanere in orbita. La Stazione Spaziale Internazionale (ISS) orbita molto al di sopra delle nostre teste, eppure la forza di gravità della Terra non riesce a trascinare il complesso fuori dall’orbita e a farlo precipitare attraverso la nostra atmosfera, dove brucerebbe. Ecco un piccolo segreto: la ISS sta sempre cadendo! Eppure non si schianta mai sulla Terra né brucia nella nostra atmosfera. Come è possibile? Sembra miracoloso, ma non è un paradosso o magia, semplicemente il risultato della buona vecchia fisica. Tutto si riduce alla velocità orbitale della Stazione Spaziale Internazionale, alla sua altezza sopra il suolo e alla velocità con cui cade sotto l’effetto della gravità. La scienza e la matematica dietro ciò che mantiene la ISS in orbita risalgono al padre della teoria gravitazionale, lo scienziato inglese del XVII secolo Sir Isaac Newton. Famosamente burbero, Newton probabilmente non ha elaborato la sua teoria della gravità stando seduto sotto un albero mentre una mela gli cadeva in testa, come racconta la vecchia storia. Ma avrebbe osservato mele, foglie e altre cose cadere e si sarebbe chiesto perché lo facessero.
Per cominciare, pensiamo a quella mela cadente apocrifa. Quando è appesa a un ramo, è ferma, quindi quando cade, la gravità la tira direttamente verso il basso. Supponiamo, però, che tu prenda la mela caduta e poi la lanci come una palla. La mela non cade direttamente verso il basso come faceva quando era ferma; ora ha un movimento orizzontale che compete con la gravità, e segue una curva fino al suolo. Newton usò l’analogia di una palla di cannone, sparata orizzontalmente, che segue una curva simile fino al suolo. La dimensione e la forma di questa curva dipendono dalla velocità della palla di cannone e dalla quantità di resistenza dell’aria. Più veloce è la palla di cannone e minore è la resistenza dell’aria, maggiore è la distanza che la palla di cannone percorre e più lieve è l’angolo della curva che la palla di cannone segue fino al suolo.
Newton teorizzò che, se una palla di cannone fosse sparata orizzontalmente da una montagna abbastanza alta dove l’aria è rarefatta, e con sufficiente velocità, allora la curva della palla di cannone verso il basso sotto l’effetto della gravità corrisponderebbe alla curvatura della Terra. Continuerebbe a cadere, seguendo questa curva, senza perdere altitudine perché il pianeta si curverebbe via da essa allo stesso tempo. Gli scienziati chiamano la forza che agisce su un oggetto per mantenerlo su un percorso curvo forza centripeta, che è sempre diretta verso il centro di curvatura.
Questa è la premessa dietro ciò che mantiene la ISS felicemente in orbita sopra le nostre teste. È un equilibrio tra la forza centripeta diretta verso il centro della Terra e la forza di gravità della Terra che causa costantemente l’accelerazione gravitazionale della ISS lungo il suo percorso curvo. La velocità con cui la ISS cade mentre segue il suo percorso curvo è uguale alla velocità con cui la superficie curva della Terra si abbassa sotto di essa. Questo equilibrio è raggiunto con determinate combinazioni di altezza e velocità orbitale. La ISS orbita a un’altezza di circa 402 chilometri, o 250 miglia, e viaggia a 7,6 chilometri (4,7 miglia) al secondo, che è la velocità richiesta a questa altezza per continuare a seguire il percorso che corrisponde alla curvatura della Terra. Se la ISS orbitasse a un’altezza maggiore, non avrebbe bisogno di viaggiare così velocemente per mantenere la velocità di curvatura della sua caduta. Se la ISS fosse a un’altitudine inferiore, dovrebbe viaggiare più velocemente per evitare di cadere nell’atmosfera terrestre e bruciare.
Ci sono alcune complicazioni, però, che significano che la ISS non può essere lasciata a se stessa indefinitamente: alla fine tornerebbe a precipitare attraverso l’atmosfera e bruciare se non intervenissimo. Questo perché, anche a 402 chilometri sopra la superficie, la ISS è ancora all’interno dell’atmosfera terrestre, sebbene in una parte molto sottile dell’atmosfera chiamata termosfera. La termosfera ha una densità molto bassa, il che significa che le molecole atmosferiche sono scarse, ma ce ne sono ancora abbastanza per resistere al movimento della ISS e creare abbastanza resistenza da rallentarla. Questo porta la stazione spaziale a decelerare di circa 5 centimetri (2 pollici) al secondo, facendole perdere circa 100 metri (328 piedi) di altitudine sopra la superficie terrestre ogni giorno. Questo è il motivo per cui abbiamo detto che l’altitudine orbitale della ISS è “circa” 402 chilometri, perché sta costantemente perdendo altezza. Ogni mese circa, la ISS deve accendere i suoi propulsori per spingerla di nuovo alla sua altitudine orbitale prevista. Se la ISS non avesse un modo per elevare la sua orbita, alla fine cadrebbe più in profondità nell’atmosfera e brucerebbe, come un enorme meteorite.
Un giorno, tuttavia, saremo costretti ad abbandonare la ISS — e questo giorno sta arrivando relativamente presto. La costruzione della stazione spaziale è iniziata nel 1998, e le parti più antiche della ISS hanno ora più di un quarto di secolo e stanno cominciando a scricchiolare un po’ con l’età crescente. Entro pochi anni, la ISS supererà la sua utilità, e una volta abbandonata non ci sarà nulla che la mantenga alla giusta altitudine. La grande dimensione della ISS, che è lunga 109 metri (358 piedi) e larga 73 metri (239 piedi), significa che è troppo pericoloso permetterle di cadere nell’atmosfera da sola: sebbene gran parte di essa brucerà, pezzi significativi di detriti della ISS potrebbero piovere sulla terra, possibilmente su un’area abitata. Quindi il piano è di deorbitare deliberatamente la ISS nel 2031 sopra una regione remota dell’Oceano Pacifico chiamata “Cimitero dei Veicoli Spaziali”. Un rimorchiatore spaziale verrà lanciato nel 2030 e attraccherà con la ISS. A quel punto, gli ultimi equipaggi avranno lasciato la ISS e spento le luci. Il rimorchiatore spaziale, agganciato alla ISS come una patella, aspetterà 12-18 mesi affinché l’altitudine della ISS decada naturalmente da 402 chilometri a 220 chilometri (140 miglia). Il rimorchiatore accenderà quindi i suoi motori, spingendo la ISS ancora più in basso, a 150 chilometri (93 miglia). Poi, un’ultima accensione del motore porterà la stazione spaziale nella mesosfera, che è lo strato dell’atmosfera terrestre sotto la termosfera. La mesosfera è più densa della termosfera, ed è nella mesosfera che i meteoriti dallo spazio bruciano — quando vediamo una stella cadente, è un granello di polvere cosmica che brucia nella mesosfera situata tra 50 e 80 chilometri (31 e 50 miglia) sopra di noi. (Inoltre, le nubi nottilucenti, o “nubi che brillano di notte”, viste durante i mesi estivi si formano nella mesosfera.) Le cose bruciano nella mesosfera a causa dell’energia prodotta attraverso l’attrito tra l’oggetto che cade attraverso la mesosfera e le molecole nella mesosfera. I meteoriti di solito bruciano completamente perché sono piccoli; ci vuole un grosso pezzo di roccia spaziale per sopravvivere al passaggio attraverso la mesosfera e raggiungere la superficie come meteorite (e anche in quel caso, la maggior parte di esso sarà bruciata). Come abbiamo visto, la ISS è enorme, e grandi parti di essa sopravviveranno alla caduta infuocata attraverso la mesosfera intatte. Il compito del rimorchiatore spaziale, quindi, sarà di spingere la ISS a entrare nell’atmosfera sopra il Cimitero dei Veicoli Spaziali, nella parte più remota dell’Oceano Pacifico, dove eventuali detriti si schianteranno nell’acqua lontano dalla terra, dalle rotte di navigazione e dalle rotte di volo degli aerei. Eventuali pezzi della ISS che sopravvivono al rientro atmosferico affonderanno sul fondo dell’oceano, per non essere mai più visti.