Illustrazione artistica di una delle due sonde Voyager che entra nello spazio interstellare. Credits: NASA/JPL-Caltech
La Voyager 1 è la sonda che detiene il record di distanza raggiunta dalla Terra, 21,337 miliardi di chilometri, e tempo trascorso nello spazio rimanendo in funzione: 45 anni. Da qualche tempo però, presenta un problema bizzarro e paradossale.
Il sistema di controllo d’assetto (Attitude and Articulation Control Subsystem – AACS) sta inviando alle stazioni di terra dati che al momento paiono assolutamente insensati. L’AACS controlla l’orientazione dello spacecraft nello spazio con successo da 45 anni; fa in modo cioè che tutti gli strumenti siano puntati adeguatamente. In particolare l’antenna, che deve essere sempre disposta in modo che il lobo principale dell’emissione di potenza elettromagnetica sia verso la Terra per poter comunicare.
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In altre parole, se i dati ricevuti e generati attualmente dall’AACS fossero veramente la descrizione della posizione della sonda, allora non saremmo stati in grado di riceverli o avremmo ricevuto un segnale perlomeno più flebile. Inoltre, nessun sistema sembra essere entrato in “safe-mode”, una sorta d’ibernazione in caso di emergenza.
L’AACS di Voyager funziona secondo il criterio della stabilizzazione su tre assi: l’orientazione della sonda è di fatto fissa nello spazio rispetto ad alcuni riferimenti esterni. Per Voyager i riferimenti sono il Sole e un set di stelle “fisse”, così definite perché sono abbastanza lontane da rendere il moto relativo rispetto al sistema solare piccolo o trascurabile.
Conoscendo quindi la posizione di Sole e stelle, il computer dell’AACS è in grado di ricavare la posizione della Voyager e l’angolazione di ogni suo strumento, tra cui appunto l’antenna per comunicare. In caso di errore, quindi, viene dato comando ai propulsori di idrazina (16 nominali più 8 di backup) di sparare per riallineare gli strumenti.
Il JPL si è impegnato nello sviluppo della tecnologia di controllo a tre assi sin dal 1959; tuttavia il vero sviluppo, dopo gli esperimenti dei set di spacecraft Mariner e Viking, avvenne con le due missioni Voyager. Nel 1975, con i grossissimi tagli al budget della NASA, si dovevano trovare delle soluzioni economiche ed efficienti per problemi già più complessi di quelli del passato. Infatti, rispetto alle sonde precedenti, Voyager presenta una rigidezza strutturale molto minore.
Gli RTG alimentati a Polonio per la produzione di energia elettrica, sono montati su bracci esterne alla struttura principale per evitare perdite radioattive vicino agli strumenti scientifici. Inoltre, anche il magnetometro è posizionato lontano dal corpo principale, per evitare interferenze con i campi magnetici generati artificialmente dagli strumenti della sonda.
Infine, pure la piattaforma di scanning e acquisizione immagini era fissata così, per avere un migliore campo di vista. Durante le manovre, queste bracci estese si flettono leggermente, causando uno stress di ritorno che rende i requisiti dell’AACS molto più stringenti in fase di manovra rispetto alla fase di crociera. In particolare, l’AACS deve gestire, contemporaneamente, la manovra e i disturbi causati dalla manovra stessa.
Fu per questo motivo che vennero aggiunti dei propulsori di backup al solo scopo di resistere alle manovre durante l’incontro con i pianeti (Giove, Saturno e Titano). Si può dire davvero che il JPL lavorò a regola d’arte visto che i propulsori di backup vennero rimessi in uso nel 2017 per il deterioramento di quelli nominali e funzionarono senza problemi dopo 37 anni d’inutilizzo ed esposizione all’ambiente spaziale.
L’AACS ha continuato a funzionare perfettamente per 45 anni grazie al suo computer di controllo HYPACE, vecchio anch’esso di 45 anni. HYPACE sta per Hybrid Programmable Attitude Control Electronics ed è formato da uno dei primi circuiti digitali mai costruiti, associato a un classico circuito analogico; è costituito dalla stessa scheda 4K-28bit del Viking Orbiter unito a una logica transistor-transistor (TTL) di circuiti integrati per creare un processore con cicli di 28 microsecondi (10 MHz), in grado di compiere quindi un milione di cicli (operazioni/calcoli) al secondo.
Voyager fu la prima sonda a raggiungere questa capacità di calcolo e il suo funzionamento prolungato è ulteriore prova della validità di questo sistema. Un altro motivo della lunga vita di questa sonda è l’alta ridondanza, sia a livello di hardware che a livello di software.
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Un primo motivo per cui è così difficile trovare una risposta alle recenti anomalie misteriose del AACS è proprio la nostra ignoranza riguardo all’ambiente in cui sta volando la Voyager: ogni secondo che passa, allarga di 16 km la nostra conoscenza dello spazio. In questo momento, infatti, Voyager si trova nello spazio interstellare oltre il limite chiamato “Termination shock”, superato nel 2004, cioè dove le particelle del vento solare raggiungono una velocità subsonica, e oltre il limite dell’eliopausa, superato nel 2012, cioè la zona dove il vento solare viene completamente fermato dal mezzo interstellare, bilanciandolo a livello di pressione. Il mezzo interstellare è il termine con cui si intende il materiale rarefatto costituito da gas e polvere che si trova tra le stelle.
Lo spazio interstellare, infatti, oltre che sconosciuto, è un ambiente estremamente radioattivo che chiaramente mette a dura prova hardware (con l’abbattimento delle proprietà termo-ottiche) e software. In particolare, una radiazione molto energetica, quando investe un componente elettronico, all’interno del satellite, può provocare un cosiddetto bitflip: il cambio, in un codice binario di uno 0 in 1 o viceversa, creando problemi imprevedibili.
Un secondo motivo che rende difficile scoprire il motivo dell’errore è il ritardo di comunicazione di 20 ore e mezza. Vengono cioè richiesti circa due giorni per inviare un messaggio e ricevere una risposta. Considerando tutto ciò comunque, Suzanne Dodd, project manager per Voyager 1 e 2 al JPL, rimane positiva:
Le sonde hanno entrambe 45 anni, molto oltre i loro piani originari. […]. Ci sono delle sfide enormi per il team d’ingegneri, ma penso che se c’è un modo per risolvere il problema con l’AACS, lo troveranno.
Infatti è cosa assolutamente notevole pensare che ci sono ancora ingegneri estremamente specializzati nel funzionamento di software e hardware concepiti quasi 50 anni fa e che permettono il proseguire di queste missioni estreme.
Gli RTG di Voyager 1 forniranno potenza sufficiente fino al 2025, quando avrà raggiunto i 25 miliardi di chilometri di distanza, sperabilmente inviando dati utili fino a quella data nella quale dovrebbe raggiungere il muro d’idrogeno prima del bow shock. Poi, circa nel 2042, quando certamente non sarà più funzionante, raggiungerà il bow shock.
Questa è la zona dove il mezzo interstellare diventa subsonico, in un effetto simile al vento solare che si schianta sulla magnetosfera terrestre. Fra 30000 anni, Voyager 1 uscirà completamente dalla Nube di Oort ed entrerà nel campo di attrazione gravitazionale di un’altra stella. Infine, tra 38000 anni porterà il suo disco d’oro a circa 1.7 anni luce dalla stella Gliese 445 nella costellazione della Giraffa.
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