Le tempeste di polvere su Marte possono produrre scariche elettriche: i rischi per le missioni umane

Le tempeste di polvere marziane oltre a bloccare la luce solare e a ridurre la visibilità al suolo sono in grado di caricare elettricamente l’aria rarefatta del pianeta, creando le condizioni fisiche necessarie per vere e proprie scariche elettriche. È ciò che suggerisce la ricerca pubblicata su The Planetary Science Journal da un team dell'Università dell'Alabama a Huntsville (UAH) in collaborazione con il Marshall Space Flight Center della NASA.

La NASA punta a inviare i primi equipaggi umani su Marte nel corso del prossimo decennio. Nella progettazione delle future missioni si aggiunge così un rischio elettrostatico in cui considerare l’eventualità della generazione di scariche elettriche prodotte dalle tempeste di polvere che potrebbero generare archi elettrici tra superfici conduttive danneggiando strumenti scientifici e interferire con l'elettronica dei veicoli di terra, delle tute spaziali e delle apparecchiature dei moduli abitativi, mettendo a repentaglio la missione e l’incolumità degli astronauti. Mappare i nuovi possibili rischi per l’attività umana sul pianeta rosso diventa quindi essenziale.

Quali sono i pericoli delle tempeste di sabbia su Marte

Fino a oggi le tempeste di polvere marziane venivano viste soprattutto come un problema per la visibilità ridotta, per la ridotta produzione di energia solare e l’usura meccanica dovuta all’attrito delle particelle. Durante le grandi tempeste l'oscuramento del Sole riduce drasticamente (fino anche al 95%) la produzione di energia elettrica dei pannelli solari (il problema che ha messo fuori uso il rover della NASA Opportunity nel 2019).

Nel nuovo scenario di tempeste di polvere cariche elettricamente, un astronauta in tuta spaziale durante un'attività extraveicolare all’aperto (chiamata in gergo spaziale EVA, dall’inglese extra-vehicular activity) potrebbe accumulare carica per attrito con la polvere sospesa e scaricarsi toccando per esempio le superfici metalliche di un rover, di un modulo o di uno strumento.  Si genererebbero così archi elettrici localizzati che potrebbero danneggiare qualsiasi dispositivo elettronico.

Le tute spaziali moderne inoltre integrano sensori, sistemi di comunicazione radio e sistemi di supporto vitale controllati elettronicamente e scariche elettrostatiche ripetute potrebbero disturbare e danneggiare gravemente questi dispositivi. Per le future missioni umane verso Marte bisognerà quindi non solo progettare tute e habitat resistenti alla polvere, ma anche schermare sistemi ed equipaggi da un ambiente elettricamente più interattivo e dinamico di quanto immaginato finora.

La tempesta globale di Marte del 2018 

Il team ha scelto di concentrare la propria analisi sui dati del cosiddetto Martian Year 34, ovvero l'anno marziano compreso tra il 5 maggio 2017 e il 23 marzo 2019. Un anno su Marte infatti dura 687 giorni terrestri, quasi il doppio di uno terrestre, e il conteggio degli anni marziani parte convenzionalmente dall'11 aprile 1955. All'interno di questa finestra temporale, i ricercatori si sono focalizzati sulla tempesta di polvere globale scatenatasi a metà 2018, uno degli eventi meteorologici più studiati nella storia dell'esplorazione marziana.

Le grandi tempeste globali erano state osservate verificarsi circa una volta ogni tre anni marziani, ma quella del 2018 arrivò dopo una pausa insolitamente lunga di cinque anni marziani dall'ultimo evento simile nel 2007. Un intervallo più lungo della media, che aveva reso gli scienziati incerti su quando sarebbe arrivata la prossima. Il fenomeno partì come una tempesta regionale relativamente piccola nell'emisfero nord, ma nel giro di pochi giorni si espanse fino a coprire oltre un quarto della superficie del pianeta prima di diventare globale. Gli scienziati della NASA descrissero proprio questa rapidità di sviluppo come sorprendente rispetto agli standard delle tempeste precedenti.

La tempesta fu monitorata in tempo reale da diverse sonde marziane, sia al suolo sia in orbita. Il rover della NASA Curiosity, all’epoca situato nel cratere Gale, ne osservò da vicino l'evoluzione sulla superficie, mentre i satelliti in orbita, tra cui il Mars Reconnaissance Orbiter e MAVEN della NASA e il Trace Gas Orbiter dell'ESA, ne tracciarono gli effetti su scala globale.

Come nascono le tempeste di polvere su Marte

Su Marte esistono tempeste di diversa scala. Quelle locali, confinate ad aree di poche centinaia di chilometri e piuttosto frequenti, quelle regionali, che possono estendersi per migliaia di chilometri e le imprevedibili tempeste globali (chiamate in inglese planet-encircling, perché letteralmente avvolgono l’intero pianeta), osservate solo poche volte dall'inizio dell'esplorazione robotica, l'ultima delle quali fu appunto quella del 2018.

A innescarle è una combinazione di fattori legata all'orbita del pianeta. Marte ha un'orbita più ellittica di quella terrestre (per la precisione un’eccentricità di 0,093 rispetto a 0,017 della Terra) e quando si avvicina al perielio, il punto di minima distanza dal Sole, la sua atmosfera sottile riceve un aumento di energia solare che accentua i gradienti di temperatura tra giorno e notte e tra equatore e poli. Questi sbalzi generano venti più intensi, che secondo le stime della NASA possono raggiungere punte di circa 100 km/h durante le tempeste più forti, anche se a causa  dell'atmosfera rarefatta, la forza percepita equivarrebbe a una brezza di appena 10 km/h sulla Terra. Questi venti sollevano la finissima polvere marziana: grani del diametro medio di appena 1-3 micrometri, più sottili della farina.

Se le condizioni sono favorevoli però il fenomeno può innescare un meccanismo di feedback positivo che si autoalimenta: più polvere viene sollevata, più le particelle in sospensione assorbono la luce solare e riscaldano l'atmosfera circostante, alimentando venti ancora più forti che sollevano ulteriore polvere, fino a quando l'evento locale non degenera in una tempesta regionale o, nei casi più estremi, appunto planetaria.

Cosa succede quando miliardi di granelli di polvere si scontrano nell'aria 

I ricercatori non si sono limitati alle osservazioni dirette, ma hanno incrociato i dati del 2018 raccolti da rover e sonde con il Mars Climate Database, un archivio pubblico di dati meteorologici ad alta risoluzione costruito a partire da simulazioni di modelli di circolazione generale, i cosiddetti GCM (Global Circulation Models), che riproducono il comportamento dell'atmosfera marziana su scala planetaria.

Combinando questi dati con la fisica delle particelle di polvere in sospensione, il team ha costruito un modello capace di stimare se e in quali condizioni l'atmosfera del pianeta potesse sviluppare i presupposti fisici per un accumulo di carica elettrica.

Il modello usato nella ricerca ha infatti individuato, durante la tempesta del 2018, regioni localizzate a diverse quote della bassa atmosfera in cui i campi elettrici si sono avvicinati a quelle che i ricercatori definiscono condizioni favorevoli alla scarica, il livello oltre il quale può innescarsi una scarica vera e propria, come una scintilla o un piccolo fulmine.

Il fenomeno alla base si chiama carica triboelettrica, cioè si crea elettricità statica quando due materiali diversi si toccano o si sfregano e poi si separano. Su Marte durante le grandi tempeste succede la stessa cosa: gli innumerevoli scontri tra i granelli di polvere, sospinti dal vento in ogni direzione, strappano elettroni da un granello e li trasferiscono a un altro. Su scala planetaria, moltiplicato per miliardi di particelle in movimento, questo processo può creare un vero e proprio squilibrio di cariche elettriche distribuito nello spazio.

A causa della bassissima pressione dell’atmosfera marziana la soglia di scarica elettrica su Marte è drasticamente più bassa che sulla Terra: mentre nella nostra atmosfera occorre un campo elettrico di circa 3.000 kV/m (3 milioni di volt per metro) per innescare una scintilla, studi precedenti sull'elettrificazione marziana stimano che su Marte bastano campi di appena 20-25 kV/m, cioè oltre cento volte meno. Il modello della ricerca ha individuato che durante la tempesta del 2018 nelle regioni localizzate a diverse quote della bassa atmosfera i campi elettrici si sono avvicinati proprio a questa soglia.

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