Che ora è sulla Luna?
I sistemi di navigazione satellitare per gli insediamenti lunari richiederanno orologi atomici locali. Gli scienziati stanno studiando l'ora da adottare
Potrebbe sembrare una domanda subdola, ma fondamentale, a cui i metrologi di tutto il mondo stanno lavorando per rispondere. “La Luna non ha attualmente un orario indipendente. Ogni missione lunare utilizza una propria scala temporale che è collegata, attraverso i suoi responsabili sulla Terra, al tempo universale coordinato, o UTc, lo standard rispetto al quale vengono impostati gli orologi del pianeta. Ma questo metodo è relativamente impreciso e i veicoli spaziali che esplorano la Luna non sincronizzano l’orario tra loro. L’approccio funziona quando la Luna ospita una manciata di missioni indipendenti, ma sarà un problema quando ci saranno più navicelle che lavorano insieme. Le agenzie spaziali vorranno anche seguirle usando la navigazione satellitare, che si basa su segnali temporali precisi.
Non è ovvio quale forma potrebbe assumere un tempo lunare universale. Gli orologi sulla Terra e sulla Luna ticchettano naturalmente a velocità diverse, a causa dei differenti campi gravitazionali dei due corpi. L’ora lunare ufficiale potrebbe basarsi su un sistema di orologi progettato per sincronizzarsi con l’UTC, oppure 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 il tempo lunare presso il Centro europeo di ricerca e tecnologia spaziale dell’Agenzia spaziale europea (ESA) a Noordwijk, nei Paesi Bassi. L’esigenza più pressante deriva dai piani per la creazione di un sistema di navigazione satellitare globale (GNSS) dedicato alla Luna, simile a tecnologie come il GPS, e altre reti di navigazione satellitare, che consentono di localizzare con precisione la posizione sulla Terra. Le agenzie spaziali prevedono di installare questo GNSS lunare a partire dal 2030 circa. 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. Finora le missioni lunari hanno individuato la loro posizione utilizzando segnali radio inviati a grandi antenne sulla Terra a orari prestabiliti. Ma con decine di missioni in programma, “non ci sono abbastanza risorse per coprire tutti”, dice Joel Parker, un ingegnere che lavora sulla navigazione lunare al Goddard Center.
Primo passo
Come primo passo, a partire dal 2024, l’ESA e la NASA proveranno a ricavare le posizioni sulla Luna utilizzando deboli segnali di navigazione satellitare provenienti da velivoli terrestri. Successivamente, i progetti GNSS lunari prevedono di posizionare satelliti dedicati intorno alla Luna, ciascuno contenente il proprio orologio atomico. Un ricevitore, ad esempio, sulla superficie della Luna, triangolerà poi la sua posizione utilizzando il tempo necessario ai 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 del nostro satellite ed è un importante obiettivo per l’esplorazione, dice Jörg Hahn, un ingegnere che lavora al progetto Moonlight dell’ESA. Le missioni lunari avranno anche bisogno di un’ora lunare ufficiale per cooperare e comunicare, dice Hahn. “Tutto questo deve ricondursi a un tipo di riferimento temporale, altrimenti si crea il caos e le cose non funzionano insieme”.
Un’altra questione aperta, dice Hahn, è se gli astronauti utilizzeranno l’ora lunare universale ovunque sulla Luna. Anche se l’ora lunare rimarrebbe la scala temporale ufficiale, i suoi utenti potrebbero, come sulla Terra, volerla sfalsare in fusi orari legati alla posizione del Sole nel cielo. Non si tratta tanto di una questione metrologica quanto di una questione di convenzioni.
Caratterizzare il tempo
Definire il tempo lunare non è semplice. Sebbene la definizione di secondo sia la stessa ovunque, la teoria speciale della relatività stabilisce che gli orologi ticchettano più lentamente nei 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 dovrebbe funzionare più velocemente di uno terrestre. Gramling stima che un orologio lunare guadagnerebbe circa 56 microsecondi in 24 ore. Rispetto a un orologio terrestre, la velocità di un orologio cambierebbe anche in modo impercettibile a seconda della sua posizione sulla superficie lunare, a causa della rotazione della Luna. 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 i cui risultati vengono combinati da un algoritmo per generare un orologio “virtuale” più preciso. Quello che succederà dipenderà dall’opzione scelta dai metrologi. Potrebbero decidere di basare l’ora lunare sull’UTC. In questo caso, l’ora lunare virtuale verrebbe sincronizzata regolarmente con l’UTC terrestre. Tra un controllo e l’altro, gli orologi lunari continuerebbero a segnare il tempo fino alla sincronizzazione successiva. Questa opzione ha il vantaggio di essere semplice da usare per gli utenti sulla Terra. L’alternativa sarebbe quella di utilizzare l’output sincronizzato degli orologi atomici lunari come tempo indipendente e continuo della Luna e di tenere traccia della sua relazione con l’UTC. In questo modo, anche se la connessione con la Terra dovesse andare perduta, gli orari degli gli orologi sulla Luna continuerebbero a coincidere tra loro, consentendo una navigazione e comunicazioni sicure, spiega Gramling. Stabilire un’ora indipendente è un modello che funzionerà anche per i pianeti più lontani a cui le agenzie spaziali mirano, come Marte.
LunaNet
In questo scenario, i giorni sulla Luna potrebbero anche essere definiti in modo diverso da quelli sulla Terra, per tenere conto del tempo che intercorre tra il mezzogiorno solare e il mezzogiorno terrestre, (in media 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 accordarsi. I metrologi dovranno anche decidere in quale punto della Luna collocare gli orologi guida. Come sulla Terra, l’altitudine dei dispositivi influenzerà la velocità del ticchettio. Le agenzie spaziali stanno valutando anche 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 di agenzie spaziali nazionali e il Comitato internazionale delle Nazioni Unite sul GNSS. Per rendere interoperabili i sistemi dei vari Paesi, i sistemi di riferimento dovranno essere concordati a livello internazionale. Con l’aiuto dell’ESA, la NASA sta sviluppando un quadro chiamato LunaNet, un insieme di regole che consentirebbero a tutti i sistemi di navigazione satellitare, comunicazione e calcolo lunari, di formare un’unica rete simile a Internet, indipendentemente dalla nazione che li installa. La definizione dell’ora lunare fa parte di un quadro molto più ampio.
“L’idea è di produrre un’Internet del sistema solare”, dicono gli scienziati. “E la prima parte sarebbe sulla Luna”.
