Esplorando il futuro, senza temere il cambiamento

“Qual è stato e quale presumibilmente sarà il ruolo della fantascienza nello sviluppo della scienza e della tecnologia, particolarmente nell’ambito spaziale?”
Per poter rispondere a questa ambiziosa e complessa domanda, si dovrebbe logicamente dare prima risposta a quella, ancor più ambiziosa e complessa: “Che cos’è la fantascienza?”
La fantascienza è innanzi tutto uno stile letterario, i cui confini sono peraltro alquanto controversi, ma ha anche forti influenze sulle industrie televisiva e cinematografica, costituendo quindi un fenomeno mediatico di non trascurabile portata (si pensi al successo della serie televisiva “Star Trek” o della saga cinematografica “Star Wars”).
Ritornando alla domanda iniziale, si farà riferimento a quattro maestri della fantascienza che hanno contribuito, anche attraverso il cinema, a forgiare il nostro immaginario collettivo e la mitologia tecnologica della nostra cultura: Arthur C. Clarke, Isaac Asimov, Philip K. Dick e Fritz Lang.
Questi quattro maestri (i primi tre scrittori, l’ultimo regista) hanno tutti, seppur con stili e punti di vista differenti, delineato futuri possibili nei quali lo spazio costituisce l’“ultima frontiera” e l’esplorazione del cosmo risponde all’anelito umano verso la conoscenza.
Sessantasei anni fa, Arthur C. Clarke, un allora oscuro tecnico radar della RAF, membro della British Interplanetary Society (un’associazione di sognatori appassionati di fantascienza e di voli spaziali), inviò all’editore della rivista inglese Wireless World una lettera intitolata “Peacetime Uses for V2” (“Usi pacifici della V2”). Era il 1945 e l’Inghilterra era appena uscita dal secondo conflitto mondiale, durante il quale i missili tedeschi V2 avevano costituito l’incubo delle popolazioni civili. La lettera anticipava in modo semplice e chiaro la possibilità di utilizzare la tecnologia missilistica per mettere satelliti in orbita intorno alla Terra, già preconizzando satelliti in orbita geostazionaria per applicazioni di telecomunicazione:
“ Vorrei concludere menzionando una possibilità per un futuro più remoto (forse fra cinquanta anni). Un satellite artificiale alla corretta distanza dalla Terra compierebbe una rivoluzione ogni 24 ore, rimarrebbe cioè stazionario sopra la stessa posizione ed in grado di coprire quasi metà della superficie terrestre. Tre stazioni ripetitrici a bordo di rispettivi satelliti, spaziate di 120 gradi sulla corretta orbita, potrebbero quindi distribuire televisione e comunicazioni a frequenze microonde all’intero pianeta.”
Queste poche righe possono oggi sembrarci ovvie e banali. Vale la pena riflettere, tuttavia, sul fatto che esse furono scritte tredici anni prima del lancio del primo satellite artificiale, Sputnik 1.
In seguito Clarke scrisse un articolo molto più dettagliato che intitolò “The Future of World Communications”. L’editore di Wireless World lo pubblicò nel numero di ottobre 1945 cambiandone il titolo in “Extra-Terrestrial Relays”. Tutto il resto, si potrebbe dire, è storia. Ai nostri giorni, ci sono più di 300 satelliti operativi in orbita geostazionaria ed i loro servizi pervadono la nostra vita quotidiana, dalle telecomunicazioni digitali alle previsioni meteorologiche ed alle trasmissioni televisive.
C’è quanto basta per rendere un uomo famoso ed iscriverlo nel libro della Storia. Arthur C. Clarke, tuttavia, oltre a tante opere letterarie e di divulgazione scientifica, rimarrà anche famoso per averci regalato, insieme ad un altro genio, il regista Stanley Kubrik, un sogno sul futuro dell’umanità che fa ormai parte del nostro immaginario collettivo: quello descritto nel film “2001: odissea nello spazio”.
C’è un altro riconoscimento che ancora non è stato ufficialmente riconosciuto a Sir Arthur C. Clarke: quello di inventore “ante litteram” di Internet e del World Wide Web (Tim Berners-Lee non ci voglia alcun male). Come recentemente sostenuto dallo stesso Clarke in una lettera ad una rivista dello IEEE (“Institute of Electrical and Electronic Engineers”) e modestamente fatto notare da chi scrive alcuni anni prima, nell’ormai lontano 1963 egli pubblicò un racconto breve intitolato “Chiamata per l’homo sapiens” (“Dial F for Frankstein”, nella versione originale inglese). In questo scritto Clarke paventava, con intuizione quasi visionaria, un non lontano futuro nel quale per la prima volta tutti i calcolatori del mondo sarebbero stati connessi tra loro attraverso la rete telefonica; si sarebbe così venuta a creare un’enorme mente artificiale planetaria, che non avrebbe tardato a dare dimostrazione dei suoi poteri.
L’incubo futuristico di Clarke si è realizzato ai nostri giorni, attraverso Internet ed il World Wide Web, anche se in forme e modalità imprevedibili, trascendenti anche la più fervida immaginazione.
Un’ultima, sorprendente scoperta è emersa recentemente dall’epistolario di Arthur Clarke: nel 1956, in una lettera scritta ad un amico, preconizzava un sistema di radionavigazione globale basato su una costellazione di satelliti in orbita. Si può quindi affermare che egli predisse anche i sistemi globali di navigazione satellitare, quali GPS, Glonass e Galileo.
Con uno stile letterario differente da quello di Clarke, ma sempre improntato ad una stretta aderenza a criteri di credibilità tecnologica e scientifica, Isaac Asimov, altro grande maestro della fantascienza, ci ha donato saghe indimenticabili, sia per la loro grandiosità che per la loro acuta preveggenza, quali il ciclo della Fondazione e quello dei Robot. Le ormai universalmente famose “Tre leggi della robotica”, da lui formulate insieme a John Campbell nel 1940, costituiscono un primo tentativo di immaginare un futuro nel quale l’Umanità dovrà saper convivere con i prodotti, sempre più sofisticati, della propria stessa tecnologia.
Autore controverso e spesso contraddittorio (ma sempre geniale), Philip K. Dick ha concentrato la propria opera letteraria sugli impatti culturali e sociologici che la tecnologia avrà nei nostri possibili futuri. La trasposizione cinematografica delle sue opere, per lo più postuma, si è rivelata un grande successo commerciale ed alcuni film sono degli autentici capolavori (primo fra tutti “Blade Runner”, che contende a “2001: Odissea nello spazio” il posto di miglior film di fantascienza mai prodotto). Il tema delle opere di Dick, sempre soffuso di un più o meno marcato pessimismo, è quello della realtà, che il progresso tecnologico rende sempre più complessa ed in rapida evoluzione, mentre la nostra comprensione di essa diventa, parallelamente, sempre più difficile e non univoca.
Perché infine includere Fritz Lang, un grande regista del cinema muto, fra i maestri della fantascienza? Non solo per il suo notissimo capolavoro “Metropolis”, ma anche e soprattutto per il meno noto film muto “Frau Im Mond” (“Donna sulla Luna”). Questo film è unanimemente considerato il primo "serio" film di fantascienza ed ha di sicuro ispirato Wernher von Braun durante tutte le sue ricerche, fino allo sbarco dell'uomo sulla Luna.
"Frau Im Mond” fu girato da Lang nel 1929 con la consulenza di Hermann Oberth, uno dei padri della missilistica e dell'astronautica, che fu proprio il maestro (poi capo e collaboratore) di von Braun.
Il film introdusse per la prima volta l'idea del "conto alla rovescia"("count-down") durante il lancio di un razzo. L'idea, introdotta per creare la necessaria atmosfera drammatica al momento del lancio, fu poi adottata nella realta' e fa ormai parte dell'immaginario collettivo legato alle imprese spaziali.
Il film prospettava inoltre per la prima volta l'utilizzo di propellente liquido ed il concetto di razzo a due stadi. Mostrava poi con sufficiente realismo gli effetti dell'assenza di gravita' a bordo di una navicella spaziale.
Alla luce degli autori appena citati, è evidente che la fantascienza odierna è andata ben oltre lo spirito illuminista e positivista dei romanzi scientifici, peraltro indimenticabili, di Jules Verne.
Oggi la fantascienza si pone di fronte alla tecnologia con un atteggiamento misto di aspettativa e timore.
Quando si dice che le tecnologie, particolarmente quelle dell’informazione e della comunicazione, stanno cambiando in modo radicale ed irreversibile la nostra società, si attesta un fenomeno che è sotto gli occhi di tutti.
Ci sono fattori obiettivi che fanno di questa nostra svolta epocale un “unicum”: la portata veramente globale delle trasformazioni in atto e la circostanza che per la prima volta nella storia questo cambiamento abbia una così stretta ed intima relazione con la conoscenza umana, in tutte le sue forme.
La portata globale dei fenomeni umani comporta inoltre una drastica contrazione dei tempi. E’ come se la scala dei tempi della nostra esistenza abbia cambiato unità di misura, come se ciò che prima avveniva in anni avvenga ora nel giro di mesi o addirittura giorni. Questo fenomeno è reso probabilmente più visibile dal parallelo allungamento della vita media degli individui.
Si sperimenta quella che viene definita come “un’accelerazione della storia” ed è necessario chiedersi quanto, a queste modificazioni delle strutture politiche, economiche e sociali, corrisponda una parallela evoluzione della capacità della mente umana di adattarsi ad esse.
L’aspetto profetico, la facoltà di prevedere il futuribile (futuro possibile), non è il contributo più importante della fantascienza. Come lo stesso Asimov afferma:

“Ciò che è invece importante, addirittura decisivo nella fantascienza, è l’elemento stesso che ne ha determinato la nascita: l’intuizione di come la tecnologia generi cambiamento.”

Da questo punto di vista, la fantascienza ci invita a pensare in modo strategico (se ne dovrebbe consigliare la lettura agli uomini politici, non solo italiani), ad affrontare la realtà con approccio sistemico.
La sfida che ci attende è quella di riuscire a far convivere i valori della Tradizione, cioè i valori archetipici (spirituali, culturali, artistici) dell’essere umano con la realtà di un futuro in continuo e radicale cambiamento, sotto la spinta incalzante del progresso tecnologico.
La fantascienza ci ricorda, in ultima analisi, che il futuro ci appartiene, è in larga parte nelle nostre mani: noi lo forgiamo con le nostre azioni (con le nostre idee, direbbe John Maynard Keynes) e possiamo tendere ad un paradiso di conoscenza, benessere e giustizia sociale o ad un inferno di appiattimento materialistico, distruzione dell’ambiente e totalitarismo globale.
Da ultimo, ma non meno importante, rimane alla fantascienza il suo ruolo di generatrice di miti, la sua azione mitopoietica. Mentre una volta poeti e cantori collocavano le loro storie in un passato inaccessibile, oscuro ed allo stesso tempo favoloso, gli odierni poeti dell’immagine televisiva ed i cantori del cinema contemporaneo pongono le loro storie in un ugualmente inaccessibile futuro, promettente ma anche foriero di incertezze e timori.
Il progresso tecnologico ha pertanto spostato il centro di gravità del nostro immaginario collettivo dal passato al futuro. E non a caso, come nel passato l’anelito tutto umano verso l’avventura e l’ignoto ispirava Omero a narrare le peripezie dei reduci dalla guerra di Troia, oggi l’Odissea è nello spazio ed Ulisse è un astronauta.

Le orbite dei satelliti

I satelliti artificiali possono operare su differenti tipi di orbite (figura 1). Il tipo di orbita utilizzato dipende prima di tutto dalla missione del satellite. L’orbita più diffusa tra i satelliti per telecomunicazioni commerciali è quella geostazionaria, anche se recentemente si sono diffuse costellazioni di satelliti in orbita LEO (sistemi Iridium e Globalstar) ed inclinata (sistema ICO). I satelliti per l’osservazione terrestre e meteorologici utilizzano orbite geostazionarie e polari, più raramente quelle inclinate. Molti altre orbite sono possibili, come ad esempio le orbite Molniya, comunemente utilizzate dai satelliti russi.

Orbite geostazionarie

Cinquantasei anni fa, nel numero di ottobre 1945, la rivista inglese “Wireless World” pubblicò un articolo con un titolo alquanto visionario: « Extraterrestrial Relays» (cioè, “ponti radio extraterrestri”). L’autore era un giovane tenente di 28 anni della British Royal Air Force (la mitica RAF), Arthur C. Clarke, che aveva peraltro lavorato durante la Seconda Guerra Mondiale allo sviluppo di sistemi radar (figura 2).

Nel suo articolo, Clarke prospettava l’utilizzo di satelliti artificiali ad una quota tale da ruotare in modo sincrono con la rotazione terrestre per essere utilizzati come “ponti radio” nello spazio (figura 3).

Una costellazione composta da un minimo di tre satelliti di questo tipo avrebbe addirittura garantito le comunicazioni su tutta la superficie terrestre.
Arthur C. Clarke è divenuto in seguito un famosissimo scrittore di romanzi di fantascienza (è famoso, fra l’altro, per aver ispirato con un suo racconto il celeberrimo film “2001: odissea nello spazio” di Stanley Kubrick). Ha tuttavia dichiarato molte volte di essersi pentito per aver svenduto un’idea che si sarebbe sviluppata in un affare da molte migliaia di miliardi l’anno e che, se brevettata, lo avrebbe probabilmente reso l’uomo più ricco del mondo.
L’orbita geostazionaria è quella nella quale il satellite è sempre nella stessa posizione rispetto alla Terra che ruota su se stessa. Il satellite viaggia su un’orbita circolare ad un’altezza di circa 35790 chilometri, alla quale corrisponde un periodo orbitale (cioè il tempo necessario a percorrere un’orbita completa) uguale al periodo di rotazione della Terra su se stessa (che è di 23 ore, 56 minuti e 4,09 secondi). Ruotando con la stessa velocità angolare e nello stesso senso di rotazione della Terra, il satellite appare stazionario (cioè sincrono rispetto alla rotazione della Terra) (figura 4).

Figura 4: l'orbita geostazionaria è geosincrona

I satelliti geostazionari sono particolarmente utili nelle telecomunicazioni, in particolare quelle verso utenti fissi (comunicazioni punto-punto, broadcasting televisivo), perché permettono l’utilizzo di antenne semplici, che non richiedono un ripuntamento continuo verso il satellite (quali sono tutte le parabole televisive ormai tanto diffuse anche nel nostro paese).
Poiché un’orbita geostazionaria, per essere tale, deve giacere nello stesso piano al quale appartiene l’Equatore, ne risulta che il satellite sarà visto allo zenith di stazioni situate nelle zone equatoriali e tropicali, con angoli di elevazione sempre più bassi mano a mano che ci avvicina ai poli. Nelle zone polari e subpolari un satellite geostazionario è in realtà irricevibile, in quanto un’eventuale antenna di terra dovrebbe essere puntata sotto la linea dell’orizzonte.
Orbite geostazionarie vengono anche utilizzate da satelliti per l’osservazione terrestre, in particolare quelli meteorologici. Questo perché a 36000 chilometri di distanza si ha una vista d’insieme di circa un terzo della superficie terrestre (oceani e terre emerse), utile per determinare l’evoluzione di cicloni, uragani ed altri grandi fenomeni atmosferici. Un esempio molto noto di satellite meteorologico geostazionario è costituito dal satellite Meteosat, quello che ci fornisce le belle immagini commentate durante i telegiornali al momento delle previsioni del tempo. Il satellite Meteosat, costruito in una numerosa serie di esemplari, è stato progettato e realizzato da un team di industrie europee coordinato dall’ ESA (European Space Agency), tra le quali l’industria spaziale italiana ha un ruolo primario (essendo responsabile, fra l’altro, di tutte le antenne del satellite).
Abbiamo già accennato alle positive caratteristiche dell’orbita geostazionaria. Dalla sua quota di 36000 chilometri (pari a circa 6 volte il raggio terrestre) un satellite geostazionario vede circa un terzo della superficie terrestre (da circa 75 gradi di latitudine Sud a circa 75 gradi di latitudine Nord).
Come teoricamente predetto da Arthur Clarke, è quindi possibile con un minimo di 3 satelliti geostazionari spaziati di circa 120 gradi offrire un servizio di telecomunicazione praticamente globale. La cosiddetta costellazione geostazionaria ha costituito la fortuna dell’organizzazione internazionale Intelsat (recentemente privatizzata), che ha dominata la scena delle telecomunicazioni commerciali negli ultimi quaranta anni.
Anche l’orbita geostazionaria presenta tuttavia alcuni svantaggi. Innanzi tutto, a causa dell’elevata distanza dalla superficie terrestre, il costo del lancio è per un satellite geostazionario molto elevato e richiede lanciatori di alta classe (quale il razzo multistadio europeo Arianne).
Sempre l’elevata distanza comporta un notevole ritardo di propagazione delle onde radio (circa 0,12 secondi per singola tratta), che è al limite dell’accettabilità durante una conversazione telefonica. Il ritardo di propagazione cessa di essere un problema nel caso di diffusione (broadcasting) televisiva, come dimostrato dal successo mondiale della televisione via satellite.

Orbite polari

Rispetto a quelli geostazionari, i satelliti in orbita polare offrono una vista più globale della Terra (permettono infatti anche l’osservazione delle zone polari) e vengono quindi impiegati soprattutto in missioni di telerilevamento e sorveglianza. Un satellite polare segue un’orbita con un’inclinazione di quasi 90 gradi rispetto all’Equatore, ad un’altezza compresa fra i 700 e gli 800 chilometri (figura 5).

Mentre il satellite si muove da Nord a Sud lungo la sua orbita, la Terra si muove essa stessa ruotando da Ovest verso Est. Il risultato è che il satellite riesce poco a poco a scandire tutta la superficie terrestre, come se stesse sbucciando un’arancia (figura 6).

Le orbite polari sono generalmente eliosincrone (“sun-synchronous”) cioè tali che il satellite sorvoli una stessa località alla stessa ora solare ogni giorno, durante tutte le stagioni dell’anno. Questa caratteristica è molto importante nelle missioni di osservazione della superficie terrestre, perché permette di raccogliere dati scientifici nelle stesse condizioni e di confrontarli in modo consistente su lunghi periodi di tempo.

Orbite LEO (“Low Earth Orbit”)

Quando un satellite orbita intorno alla Terra ad un’altezza inferiore ai 2000 chilometri, si dice che è in un’orbita bassa (“Low Earth Orbit”). Tipicamente i satelliti LEO si trovano ad altezze variabili fra i 300 e gli 800 chilometri. Al di sotto dei 300 chilometri, comincerebbe a farsi sentire l’attrito con l’atmosfera, seppure estremamente rarefatta a quelle quote, e come conseguenza il satellite verrebbe ad essere progressivamente rallentato ed a perdere quota, fino a disintegrarsi nell’impatto con gli strati più densi dell’atmosfera.
Come definito dalle leggi di Keplero, i satelliti LEO, orbitando molto vicini alla Terra, viaggiano a velocità molto elevate (circa 30000 chilometri all’ora) e compiono un giro completo intorno al pianeta in circa 90 minuti.
Rispetto ai satelliti geostazionari, i satelliti LEO hanno il grande vantaggio di sorvolare la superficie terrestre a bassa quota; ciò li rende ideali per missioni di telerilevamento (“Remote Sensing”) e di sorveglianza militare. Il costo del lancio è inoltre molto più contenuto. Nelle applicazioni per telecomunicazione, pesa a favore dei LEO la ridotta distanza dalla stazione terrestre (ricordiamo che l’attenuazione delle onde radio è inversamente proporzionale al quadrato della distanza): ciò permette collegamenti radio con potenze molto ridotte ed antenne relativamente semplici; si comprende quindi il motivo per il quale l’orbita LEO sia così diffusa tra i satelliti radioamatoriali.
Anche gli svantaggi dell’orbita LEO sono però numerosi. Innanzitutto, un satellite LEO è visibile ad una stazione terrestre solo per pochi minuti (il raggio dell’area di visibilità varia fra i 3000 e i 4000 chilometri), durante i quali si muove velocissimo da una parte all’altra dell’orizzonte. L’antenna di terra deve quindi essere continuamente ripuntata verso di esso, pena la perdita del collegamento. Sempre a causa dell’alta velocità di rotazione, il collegamento radio con un satellite LEO è affetto da un fortissimo effetto Doppler (variazione della frequenza di ricezione in funzione della velocità relativa fra satellite e stazione), che deve essere compensato in qualche modo (manualmente, con tecniche di inseguimento automatico della portante o attraverso una compensazione basata sulla conoscenza accurata dell’orbita).
L’utilizzo dei satelliti LEO nell’ambito delle telecomunicazioni è stato per molto tempo limitato ad applicazioni nelle quali si potevano accettare i lunghi periodi durante i quali il satellite non è in vista. Negli ultimi anni si è diffuso un approccio alternativo, basato sull’aumento di visibilità che si ottiene mettendo in orbita più satelliti ed utilizzando differenti piani orbitali. Costellazioni di satelliti LEO sono state utilizzate per fornire servizi di telefonia mobile con una copertura globale della Terra (fra i più noti, i sistemi Globalstar ed Iridium).

Orbite MEO (“Medium Earth Orbits”)

Le orbite MEO sono orbite circolari ad un’altezza di circa 10000 chilometri. Il loro periodo orbitale è di circa 6 ore. Il tempo massimo durante il quale un satellite in orbita MEO è al di sopra dell’orizzonte locale per un osservatore sulla superficie terrestre è dell’ordine di alcune ore. Una costellazione di satelliti MEO in grado di fornire una copertura globale richiede un numero ridotto di satelliti (da 10 a 12), disposti su due o tre piani orbitali.
Il sistema MEO più famoso è il Global Positioning System (GPS) del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, sistema di radio-navigazione che permette ad utenti ovunque situati di determinare con altissima precisione posizione, velocità e tempo assoluto (figura 7).

Orbite HEO (“Highly Elliptical Orbits”)

Le orbite HEO, cioè orbite altamente ellittiche, furono inizialmente utilizzate dai Russi per fornire servizi di telecomunicazione nelle regioni sub-polari, altrimenti non raggiungibili con satelliti geostazionari. I satelliti HEO hanno un perigeo (punto dell’orbita più vicino alla Terra) a circa 500 chilometri d’altezza ed un apogeo (punto dell’orbita più lontano dalla Terra) che raggiunge i 50000 chilometri. Le orbite sono quindi marcatamente ellittiche, inclinate di 63,4 gradi rispetto all’Equatore. A causa dell’alta eccentricità dell’orbita, il satellite si troverà per circa due terzi del periodo orbitale in prossimità dell’apogeo, e durante questo periodo sembrerà praticamente stazionario ad un osservatore sulla Terra. Posizionando l’apogeo dell’orbita in modo appropriato, si può quindi riuscire a far corrispondere la copertura del satellite con l’area d’interesse. Il sistema russo Molniya è ad esempio progettato per coprire la Siberia. E’ evidente che per garantire la continuità del servizio quando il satellite è al perigeo, si devono prevedere più satelliti, opportunamente spaziati, che viaggiano sulla stessa orbita, in modo tale che almeno uno di essi sia sempre in prossimità dell’apogeo. Le orbite HEO soffrono in qualche modo sia degli svantaggi delle orbite GEO che di quelli delle orbite LEO. Come nei satelliti geostazionari, la grande distanza fra satellite e Terra pesa sul ritardo di propagazione e sulla potenza RF necessaria al collegamento. Analogamente ai satelliti LEO, anche i collegamenti radio con satelliti HEO sono affetti da un non trascurabile effetto Doppler.

Il mio primo libro di fantascienza: "Le guide del tramonto" ("Childhood's End") di Arthur C. Clarke (30 luglio 1967)