La missione CAPSTONE, da 30 milioni di dollari, della NASA è decollata martedì 28 giugno 2022 a bordo di un razzo Electron di Rocket Lab dalla Nuova Zelanda, dirigendosi verso un viaggio tortuoso di quattro mesi ma a basso consumo di carburante per raggiungere un'orbita attorno alla Luna che servirà per testare i concetti di navigazione e operazioni per il programma Artemis.

 La missione CAPSTONE è di dimensioni modeste ma apre un nuovo capitolo nella tecnologia dei piccoli satelliti ed è la prima nuova navicella spaziale lanciata sotto l'egida del programma Artemis, lo sforzo della NASA di riportare gli astronauti sulla luna per la prima volta dal 1972. "CAPSTONE è un esploratore in molti modi e dimostrerà diverse capacità tecnologiche durante la sua missione di navigazione in un'orbita attorno alla Luna mai eseguita prima," ha affermato Elwood Agasid, project manager per CAPSTONE presso l'Ames Research Center della NASA nella Silicon Valley della California.

 Il veicolo spaziale da appena 25 chilogrammi è decollato dallo spazioporto commerciale di Rocket Lab, sulla penisola di Mahia in Nuova Zelanda, 09:55:52 UTC di martedì, a bordo del lanciatore Electron della compagnia. Il razzo ha attraversato l'atmosfera in rotta verso est sull'Oceano Pacifico. I nove motori alimentati a cherosene hanno spinto il primo stadio di Electron, alto 18 metri, dal pad del Launch Complex 1B di Rocket Lab nell'Isola del Nord della Nuova Zelanda. La missione ha segnato il 27esimo volo del lanciatore Electron di Rocket Lab e la prima missione della compagnia diretta verso una destinazione oltre l'orbita bassa terrestre.

 Il secondo stadio dell'Electron ha acceso il suo unico motore dopo circa due minuti e mezzo dall'inizio della missione, quindi ha rilasciato la navicella spaziale CAPSTONE agganciata al rimorchiatore spaziale 'Lunar Photon' sviluppato sempre da Rocket Lab. Il modulo di potenza e propulsione Lunar Photon ha acceso due volte il suo motore per iniziare una serie di manovre che permetteranno alla missione CAPSTONE di immettersi su una traiettoria verso la Luna. Le prime due accensioni del motore HyperCurie di Photon hanno posizionato la navicella CAPSTONE in un'orbita compresa tra 220 e 1.075 chilometri sopra la Terra. Altre sei accensioni, previste nei prossimi sei giorni aumenteranno gradualmente l'orbita di CAPSTONE, con l'ultima accensione programmata per inviare la missione sul suo percorso verso l'orbita lunare.

 A differenza delle missioni Apollo, che hanno raggiunto la Luna in tre o quattro giorni, CAPSTONE impiegherà più di quattro mesi per raggiungere la sua orbita prevista. Ma il viaggio di CAPSTONE è più efficiente nei consumi. Il veicolo spaziale si dirigerà verso un punto nello spazio a circa 1,3 milioni di chilometri dalla Terra, più di tre volte la distanza della Luna. La navicella CAPSTONE si separerà dal vettore Lunar Photon dopo circa sei giorni dall'inizio della missione, quindi eseguirà più correzioni di rotta con i suoi minuscoli propulsori ad idrazina. CAPSTONE sta per Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment.

Nell'illustrazione le varie fasi del viaggio di Capstone fino a raggiungere l'orbita NRHO attorno alla Luna. Credito: Rocket Lab.

 Nel punto più lontano dalla Terra, la gravità del Sole eserciterà un'influenza sulla traiettoria di CAPSTONE, aiutando a guidare naturalmente il veicolo spaziale verso la Luna, dove il veicolo spaziale accenderà i suoi propulsori per virare in un'orbita ad alone quasi rettilineo, o NRHO. L'arrivo di CAPSTONE in quell'orbita è previsto per il 13 novembre. L'orbita NRHO (Near Rectilinear Halo Orbit) porterà CAPSTONE a una distanza di 1.500 chilometri dal Polo Nord della Luna e fino a 70.000 chilometri dal Polo Sud. Ogni orbita attorno alla Luna durerà circa sei giorni e mezzo, secondo la NASA.

 Lo stesso tipo di orbita sarà utilizzato dalla mini-stazione spaziale Gateway della NASA, un elemento del programma Artemis che fungerà da base di sosta e piattaforma per esperimenti. Gli astronauti utilizzeranno il Gateway come scalo tra la Terra e la Luna. La missione CAPSTONE dimostrerà le migliori manovre per spingere un veicolo spaziale nell'orbita del Gateway, che richiede solo piccole quantità di carburante per essere mantenuta. I veicoli spaziali e i lander lunari possono entrare e uscire dall'orbita con accensioni dei propulsori a basso impulso e una stazione in tale orbita avrà un collegamento radio continuo con la Terra.

 Una stazione come il Gateway è necessaria perché la navicella Orion, che trasporterà gli equipaggi da e verso la Luna, non ha la capacità di manovrare direttamente dentro e fuori un'orbita lunare a bassa quota, come fece invece la navicella Apollo negli anni '60 e '70 del secolo scorso. Un lander lunare in partenza dall'orbita del Gateway sarà in grado di traghettare gli astronauti al Polo Sud della Luna, dove gli scienziati hanno scoperto il ghiaccio d'acqua in crateri permanentemente in ombra.

 La navicella CAPSTONE ha le dimensioni di un forno a microonde. La missione è stata sviluppata con un costo di 30 milioni di dollari, un budget insolitamente basso per un progetto delle ambizioni di CAPSTONE. E il guadagno potrebbe aumentare attraverso il lancio commerciale e le piccole industrie satellitari, le scienze spaziali e il programma Artemis della NASA per riportare gli astronauti sulla superficie della Luna. "Parte di ciò che rende questa missione avvincente, dal mio punto di vista, è il modo in cui sta portando avanti il nostro desiderio di aumentare il ritmo dell'esplorazione spaziale, l'espansione delle capacità spaziali commerciali, aiutando non solo a sostenere il nostro principale programma di esplorazione umana, ma anche aiutandoci ad espandere la capacità delle piccole missioni di raggiungere nuove destinazioni e operare in nuovi ambienti difficili,” ha affermato Chris Baker, un manager del programma tecnologico per piccole navicelle spaziali della NASA.

 La missione è finanziata dalla NASA e la navicella CAPSTONE è di proprietà e gestita da una piccola società del Colorado chiamata Advanced Space. Rocket Lab è responsabile del lancio della missione, Tyvak Nano-Satellite Systems ha costruito la navicella spaziale, Stellar Exploration ha sviluppato il sistema di propulsione di CAPSTONE e i sistemi radio sono forniti da Tethers Unlimited. Uno dei due obiettivi principali della missione CAPSTONE è dimostrare le manovre necessarie per raggiungere l'esclusiva orbita ad alone quasi rettilineo, dove le influenze gravitazionali della Terra e della Luna possono influenzare la traiettoria di un veicolo spaziale. Nessuna missione ha mai volato in questo specifico tipo di orbita.

Nella foto satellite Capstone durante le fasi di preparazione al lancio. Credito: Tyvak.

 Nell'orbita ad alone, CAPSTONE sarà principalmente influenzato dalla gravità terrestre. Ma il richiamo della Luna prende il sopravvento nel momento in cui la navicella spaziale è più vicina alla superficie lunare. Questo tipo di orbita "ha il vantaggio della bassa energia per entrare e della bassa energia per uscire," ha detto Baker. "Cavalcando questo punto di equilibrio tra l'attrazione gravitazionale della Terra e l'attrazione gravitazionale della Luna." Gli ingegneri vogliono conoscere le "realtà operative" di come rimanere nell'orbita allungata, tenendo conto delle posizioni in continua evoluzione della Terra e della Luna, ha affermato Bradley Cheetham, CEO di Advanced Space e investigatore principale per la missione CAPSTONE.

 Le future missioni Artemis con equipaggio sulla Luna viaggeranno sull'orbita dell'alone più velocemente di CAPSTONE, coprendo la distanza di 300mila km in appena cinque giorni, secondo Nujoud Merancy, capo dell'ufficio di pianificazione della missione di esplorazione presso il Johnson Space Center della NASA a Houston. Se la missione CAPSTONE incontrerà problemi, Merancy ha affermato che la NASA andrà avanti con il Gateway e altri elementi del programma Artemis anche senza i dati dalla sonda.

 Rocket Lab ha vinto il contratto da 10 milioni di dollari per lanciare la missione CAPSTONE nel 2020 e originariamente intendeva inviare la navicella spaziale da un nuovo sito di lancio a Wallops Island, in Virginia. Ma i ritardi nella certificazione del sistema di sicurezza della portata del razzo Electron hanno impedito a Rocket Lab di iniziare il servizio dalla Virginia, costringendo i funzionari a spostare il lancio di CAPSTONE nello spazioporto neozelandese della compagnia già operativo da diversi anni.

 Il rimorchiatore Lunar Photon, progettato per fare gran parte del lavoro di invio di CAPSTONE verso la Luna, è una versione aggiornata della piattaforma Photon sviluppata da Rocket Lab come piattaforma sperimentale per l'orbita bassa terrestre. Il Photon è un'evoluzione dello stadio superiore di Rocket Lab originariamente costruito per posizionare i carichi utili dei razzi Electron nella loro orbita finale per il rilascio. "Fare una missione come questa non è un compito facile," ha affermato Peter Beck, fondatore e CEO di Rocket Lab, che è stata avviata in Nuova Zelanda e ora ha sede a Long Beach, in California. "Quello di cui sono più entusiasta è che stiamo davvero, almeno dal punto di vista di Rocket Lab, portando una nuova capacità di andare molto lontano e fare cose eccitanti nello spazio profondo con un budget e una sequenza temporale che non si erano mai visti prima".

Nella foto il satellite Capstone integrato sopra il modulo Lunar Photon. Credito: Rocket Lab.

 L'intero assemblaggio della navicella CAPSTONE e del suo modulo portante Lunar Photon pesava circa 300 chilogrammi a pieno regime per il lancio. Dopo aver raggiunto la Luna, la missione CAPSTONE eseguirà esperimenti in collaborazione con il Lunar Reconnaissance Orbiter della NASA, che vola in un'orbita più bassa. I due veicoli spaziali stabiliranno un collegamento radio tra loro per testare la capacità di navigazione nello spazio profondo.

 I satelliti vicini alla Terra utilizzano i satelliti GPS della Space Force per determinare la loro posizione esatta. Le sonde che viaggiano verso destinazioni più distanti richiedono assistenza da terra, utilizzando la tecnologia di rilevamento radio per la navigazione. Il veicolo spaziale CAPSTONE invierà un tono di gamma a LRO, che ritrasmetterà il segnale a CAPSTONE. Il software sulla navicella CAPSTONE utilizzerà il segnale per misurare la distanza da LRO e determinare come la distanza è cambiata nel tempo. Da ciò, il computer su CAPSTONE può stimare la posizione del veicolo spaziale. La missione trasporta anche un orologio atomico miniaturizzato per assistere nella navigazione, fornendo al veicolo spaziale un'altra fonte di informazioni per stimare la sua posizione nello spazio. "CAPSTONE, al suo interno, è un test di volo, ed è un test di volo di molteplici capacità," ha detto Baker. "Abbiamo questi grandi esperimenti a bordo, ma le capacità che penso stiamo dimostrando sono ben oltre quelle".

 La piccola navicella spaziale trasporta anche una fotocamera per scattare foto della luna, sebbene l'acquisizione di immagini non faccia parte degli obiettivi primari della missione. "Perché dovresti andare sulla Luna senza una macchina fotografica, giusto?" ha concluso Cheetham.

 La missione Capstone è stata inoltre il 73esimo lancio orbitale globale del 2022, il 70esimo a concludersi con successo ed il quarto dell'anno per il vettore Electron di Rocket Lab.