Che ore sono sulla Luna?

Luna piena catturata dal Lunar Reconnaissance Orbiter della NASA.

gli scienziati e le agenzie spaziali non hanno ancora concordato come definire il tempo lunare.Credito: NASA Goddard

Il prossimo decennio vedrà una ripresa dell’esplorazione lunare, comprese dozzine di missioni e piani per stabilire basi permanenti sulla Luna. Gli sforzi pongono una miriade di sfide. Tra questi c’è una domanda sottile, ma fondamentale, a cui i metrologi di tutto il mondo stanno lavorando per rispondere: che ore sono sulla Luna?

“Stiamo appena iniziando a spiegarlo”, afferma Cheryl Gramling, un ingegnere aerospaziale che guida il team di posizione, navigazione e cronometraggio presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland.

La Luna attualmente non ha un orario indipendente. Ogni missione lunare utilizza la propria scala temporale che è collegata, attraverso i suoi gestori sulla Terra, al tempo universale coordinato, o utc – lo standard rispetto al quale sono impostati gli orologi del pianeta. Ma questo metodo è relativamente impreciso e le astronavi che esplorano la Luna non sincronizzano l’ora l’una con l’altra. L’approccio funziona quando la Luna ospita una manciata di missioni indipendenti, ma sarà un problema quando ci sono più velivoli che lavorano insieme. Le agenzie spaziali vorranno anche rintracciarli utilizzando la navigazione satellitare, che si basa su segnali di temporizzazione precisi.

Non è ovvio quale forma assumerebbe un tempo lunare universale. Gli orologi sulla Terra e sulla Luna ticchettano naturalmente a velocità diverse, a causa dei diversi campi gravitazionali dei due corpi. L’ora lunare ufficiale potrebbe essere basata su un sistema di orologi progettato per la sincronizzazione stradaoppure potrebbe essere indipendente dall’ora terrestre.

I rappresentanti delle agenzie spaziali e delle organizzazioni accademiche di tutto il mondo si sono incontrati nel novembre 2022 per iniziare a redigere raccomandazioni su come definire l’ora lunare presso il Centro europeo di ricerca e tecnologia spaziale dell’Agenzia spaziale europea (ESA) a Noordwijk, nei Paesi Bassi.

Le decisioni devono essere prese presto, afferma Patrizia Tavella, che dirige il dipartimento del tempo presso l’Ufficio internazionale dei pesi e delle misure a Sèvres, in Francia. Se non viene stabilito un orario lunare ufficiale, le agenzie spaziali e le compagnie private troveranno le proprie soluzioni, dice. “Questo è il motivo per cui vogliamo lanciare un allarme ora, dicendo che lavoriamo insieme per prendere una decisione comune”.

Inseguimento dei satelliti

La necessità più pressante per il tempo lunare deriva dai piani per creare un sistema di navigazione satellitare globale dedicato (GNSS) per la Luna, simile a come il GPS e altre reti di navigazione satellitare consentono il rilevamento preciso della posizione sulla Terra. Le agenzie spaziali prevedono di installare questo GNSS lunare intorno al 2030. L’ESA ha approvato un progetto di navigazione satellitare lunare chiamato Moonlight durante la riunione del consiglio ministeriale del 22 e 23 novembre 2022 a Parigi, e la NASA ha istituito un progetto simile, chiamato Lunar Communications Relay and Navigation Systems, lo scorso gennaio.

Fino ad ora, le missioni sulla Luna hanno individuato le loro posizioni utilizzando segnali radio inviati a grandi antenne sulla Terra a orari prestabiliti. Ma con dozzine di missioni pianificate, “non ci sono abbastanza risorse per coprire tutti”, dice Joel Parker, un ingegnere che lavora alla navigazione lunare al Goddard Center.

Navigatore satellitare sulla luna: diagramma che mostra i quattro satelliti in orbita attorno alla luna e un'astronave e una torre di comunicazione sulla superficie.

Credito immagine: NASA.

Come primo passo, a partire dal 2024, l’ESA e la NASA proveranno a derivare le posizioni sulla Luna utilizzando deboli segnali di navigazione satellitare provenienti da velivoli terrestri. Successivamente, i progetti GNSS lunari prevedono di posizionare satelliti dedicati attorno alla Luna, ciascuno contenente il proprio orologio atomico. Un ricevitore, ad esempio sulla superficie lunare, triangolerà quindi la sua posizione utilizzando il tempo impiegato dai segnali satellitari per raggiungerlo. L’ESA ha pianificato una costellazione iniziale di quattro veicoli spaziali che coprirebbero la navigazione al polo sud lunare, che ospita gran parte dell’acqua della Luna ed è un obiettivo importante per l’esplorazione, afferma Jörg Hahn, un ingegnere che lavora al progetto Moonlight dell’ESA.

Le missioni lunari avranno anche bisogno di un tempo lunare ufficiale per cooperare e comunicare, afferma Hahn. “Tutto questo deve risalire a un tipo di riferimento temporale, altrimenti si crea il caos e le cose non funzioneranno insieme”.

Un’altra questione aperta, dice Hahn, è se gli astronauti userebbero il tempo lunare universale ovunque sulla Luna. Anche se l’ora lunare rimarrebbe la scala temporale ufficiale, i suoi utenti potrebbero, come sulla Terra, voler compensarla in fusi orari che si collegano alla posizione del Sole nel cielo. Questa è meno una domanda per i metrologi e più una questione di convenzione. “Quando qualcuno vive davvero lì sulla Luna, penso che abbia senso”, dice.

Caratterizzare il mio tempo

Definire il tempo lunare non è semplice. Sebbene la definizione del secondo sia la stessa ovunque, la teoria della relatività speciale impone che gli orologi ticchettano più lentamente in campi gravitazionali più forti. L’attrazione gravitazionale della Luna è più debole di quella della Terra, il che significa che, per un osservatore sulla Terra, un orologio lunare funzionerebbe più velocemente di uno terrestre. Gramling stima che un orologio lunare guadagnerebbe circa 56 microsecondi in 24 ore. Rispetto a quello sulla Terra, la velocità di un orologio cambierebbe anche leggermente a seconda della sua posizione sulla superficie lunare, a causa della rotazione della Luna, dice Tavella. “Questo è un paradiso per gli esperti di relatività, perché devi tenere conto di tante cose”, aggiunge.

La definizione di uno standard lunare, con cui confrontare tutti gli orologi, comporterà l’installazione di almeno tre orologi principali che ticchettano al ritmo naturale della Luna e il cui output è combinato da un algoritmo per generare un orologio “virtuale” più accurato.

Ciò che accade dipende quindi dall’opzione scelta dai metrologi. Potrebbero decidere di basare il tempo lunare su strada. In tal caso, questo tempo lunare virtuale sarebbe sincronizzato regolarmente con quello terrestre strada. Tra un check-in e l’altro, gli orologi principali lunari continuerebbero a segnare il tempo fino alla successiva sincronizzazione. Questo ha il vantaggio di essere semplice per gli utenti sulla Terra con cui interagire.

Come costruire un orologio lunare: diagramma che mostra tre orologi atomici sulla luna che potrebbero essere usati per determinare l'ora lunare.

Credito immagine: NASA

L’alternativa sarebbe quella di utilizzare l’output sintetizzato degli orologi atomici lunari come il tempo continuo indipendente della Luna e di tracciare la sua relazione con strada. In questo modo, anche se la connessione con la Terra viene persa, gli orologi sulla Luna continueranno a concordare tra loro e consentiranno una navigazione e comunicazioni sicure, afferma Gramling. Stabilire un tempo indipendente è un modello che funzionerà anche per i pianeti più distanti che le agenzie spaziali stanno prendendo di mira, come Marte. Trasmissione strada lì sarebbe più complicato che sulla Luna, aggiunge.

In questo scenario, i giorni sulla Luna potrebbero anche essere definiti in modo diverso da quelli sulla Terra, per tenere conto del tempo che va dal mezzogiorno solare al mezzogiorno solare prendendo una media di 29,5 giorni terrestri. I giorni terrestri saranno sempre importanti per gli astronauti, dato il bisogno umano di dormire in un ciclo di circa 24 ore. Ma la definizione è qualcosa su cui i metrologi dovranno concordare.

I metrologi dovranno anche decidere dove sulla Luna posizionare gli orologi principali. Anche sulla Terra, l’altitudine del dispositivo influenzerà la velocità del ticchettio. Gli orologi potrebbero essere in orbita lunare o sulla superficie, dice Hahn. “Questo è ciò di cui stiamo discutendo in questo momento con i nostri colleghi della NASA”.

Le agenzie spaziali stanno anche prendendo in considerazione altri standard necessari, come le mappe del terreno lunare e i sistemi di coordinate da utilizzare per la navigazione, attraverso l’Interagency Operations Advisory Group, un consiglio delle agenzie spaziali nazionali e il Comitato internazionale delle Nazioni Unite sul GNSS. Per rendere interoperabili i sistemi di vari paesi, i sistemi di riferimento dovranno essere concordati a livello internazionale, afferma Gramling.

Con l’aiuto dell’ESA, la NASA sta sviluppando un framework chiamato LunaNet, per il quale spera di ottenere il consenso internazionale. LunaNet consiste in un insieme di regole che consentirebbero a tutti i sistemi di navigazione, comunicazione e calcolo dei satelliti lunari di formare un’unica rete simile a Internet, indipendentemente dalla nazione che li installa. L’impostazione dell’ora lunare fa parte di un quadro molto più ampio.

“L’idea è quella di produrre un Internet del sistema solare”, afferma Gramling. “E la prima parte sarebbe sulla Luna.”

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