Domande da geek: perché la Stazione Spaziale Internazionale ruota quando la osserviamo da Terra?

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In questi giorni la Stazione Spaziale Internazionale (ISS) si trova a passare sopra l'Italia di sera ed è quindi ben osservabile, come avrete notato anche dalle foto che ho pubblicato in questo blog. Altri, ben più bravi di me, hanno fotografato non solo il puntino luminoso della Stazione, ma sono riusciti a fotografarne i dettagli. Qui sotto, per esempio, vedete un collage di foto scattate da @gfab1971 da Ravenna ieri:

Questa sequenza mostra che la Stazione, vista da Terra, cambia assetto continuamente, come se ruotasse su se stessa. Ma è davvero così, mi chiede @cobellia?

cobellia @AstroPratica @disinformatico @gfab1971 negli scatti belli di ieri sera sembra che la ISS ruoti. Scusate l'ignoranza, ruota su se stessa? 09/04/15 07:24

Con il contributo di AstronomiaPratica (@astropratica) e @ksabers, questa è la risposta breve: la Stazione ruota su se stessa rispetto alle stelle fisse, ma non rispetto alla Terra, verso la quale rivolge sempre lo stesso lato. Un osservatore a Terra la vede ruotare perché la vede da un punto fisso della superficie terrestre: è lo stesso fenomeno che avviene per esempio osservando un aereo che ci sorvola e che rispetto a noi varia orientamento anche se sta in realtà volando in linea retta.

Ma come fa la ISS a rivolgere sempre lo stesso lato verso la Terra? La risposta completa è piuttosto complicata e rende bene l'idea di quanto sia complesso progettare un habitat spaziale e quale balletto raffinato sia necessario compiere per vivere nello spazio.

Procedo con ordine. La Stazione è affetta da varie forze naturali che ne influenzano continuamente l'assetto e la farebbero capitombolare caoticamente:

– il gradiente gravitazionale, ossia il fatto che le varie parti della Stazione sono a distanze differenti dalla Terra e quindi sono soggette a forze gravitazionali differenti (la Stazione è nello spazio, ma è comunque nel campo gravitazionale terrestre; per questo si parla di assenza di peso ma è scorretto parlare di assenza di gravità a bordo). La differenza è minima (la Stazione è lunga 109 metri lungo l'asse principale), ma su una massa di circa 450 tonnellate variamente distribuite questa differenza produce una forza sufficiente a ruotare la Stazione verso un assetto in cui l'asse principale (il truss) è orientato verticalmente e a causare rallentamenti e ritardi durante gli attracchi di veicoli massicci come lo Shuttle (come è successo per esempio nel 2010).

– la resistenza aerodinamica: anche la Stazione se è nello spazio, a circa 400 km di distanza dalla superficie terrestre ci sono ancora delle tracce tenuissime di atmosfera terrestre che producono una lievissima resistenza e quindi tendono ad alterare l'assetto della Stazione.

– la pressione della radiazione solare: la luce e le altre radiazioni emesse dal Sole generano una spinta, piccola ma non trascurabile, sulle superfici della Stazione. I suoi enormi pannelli solari sono come delle vele, che oltretutto cambiano orientamento in continuazione per seguire il Sole.

– le interazioni geomagnetiche: la Stazione è un oggetto in gran parte metallico che si muove all'interno del campo magnetico terrestre, per cui è soggetta ai suoi influssi variabili, che tendono a variarne l'assetto, un po' come avviene per l'ago di una bussola.

Tutte queste forze, insomma, agiscono sulla Stazione per ruotarla in varie direzioni e quindi la Stazione non è affatto spontaneamente stabile, ma viene mantenuta artificialmente in una configurazione denominata LVLH (local vertical, local horizontal) in cui la Cupola è rivolta verso la Terra, gli scudi contro i micrometeoroidi sono rivolti in avanti lungo la direzione di volo, i radiatori sono orientati in direzione opposta al Sole, i pannelli solari sono rivolti verso il Sole e l'antenna in banda S è orientata verso l'alto per comunicare con i satelliti del sistema di comunicazione globale TDRSS.

Come viene mantenuto quest'assetto? Fondamentalmente con due sistemi: giroscopi e propulsori. La Stazione è dotata di sistemi di controllo del proprio assetto, costituiti da quattro giroscopi (i Control Moment Gyroscopes, che hanno avuto vari guasti) montati su supporti cardanici: dei volani da 80 cm di diametro, alimentati elettricamente, che pesano circa 100 kg e girano a 6600 giri al minuto (NASA; Boeing). Ne vedete uno qui accanto.

Questi giroscopi sono il sistema preferito per variare l'assetto naturale della Stazione, come è spesso necessario per esempio quando deve avvicinarsi un veicolo di rifornimento o un veicolo contenente astronauti. In alternativa, i moduli russi della Stazione hanno dei motori di manovra (thrusters) che possono essere usati per variazioni d'assetto ma consumano propellente ogni volta che vengono usati.

Il controllo d'assetto della ISS, tuttavia, è così fine ed elegante che sfrutta le forze accennate prima invece di contrastarle, in modo da ottenere un assetto d'equilibrio denominato Torque Equilibrium Attitude o TEA, in cui la coppia di rotazione gravitazionale e quella atmosferica si annullano a vicenda nel corso di un'orbita. Questo riduce il lavoro dei giroscopi.

Di tutto questo si occupano i controllori di volo e i tecnici, che non finiscono mai sui giornali come accade agli astronauti ma che fanno un lavoro preciso e paziente senza il quale gli astronauti e le imprese spaziali non potrebbero incantarci.


Fonti aggiuntive: Robert Frost, ingegnere NASA, su Quora; Stackexchange.com.