Missione di ritorno del campione

La Roccia della genesi, recuperata sulla Luna dagli astronauti dell'Apollo 15.

Collettore di particelle di vento solare della sonda Genesis.

Una missione di ritorno del campione (dall'inglese sample-return mission) è una missione spaziale il cui obiettivo è riportare sulla Terra, a scopo di analisi, campioni provenienti da un altro corpo celeste come un pianeta, una cometa o un asteroide, oppure campioni di particelle interplanetarie (come il vento solare) o interstellari. Questo tipo di missione può essere effettuata da una sonda robotica o come parte di una missione con equipaggio. Rispetto a uno studio condotto in loco dagli strumenti di un robot come il rover marziano Curiosity, raccogliere un campione di suolo e riportarlo sulla Terra permette di effettuare analisi con una precisione maggiore, di manipolare il campione e di modificare le condizioni man mano che la tecnologia e la conoscenza progrediscono. I campioni possono essere solo atomi o molecole, gas atmosferici, porzioni di terreno e/o rocce. Possono essere raccolti mediante diversi strumenti, tra cui: collettori di particelle, pale o trapani meccanici, o qualsiasi altro mezzo che consenta di recuperare campioni dall'ambiente in esame.

Per rispondere al rischio che il trasporto di campioni sulla Terra costuisce per la biosfera terrestre, queste missioni devono generalmente soddisfare i principi guida sulla protezione planetaria.

Al 2023, sono stati raccolti campioni di roccia lunare da missioni robotiche e con equipaggio dalla Luna; la cometa Wild 2 e gli asteroidi 25143 Itokawa e 162173 Ryugu sono stati visitati da sonde spaziali robotiche che hanno riportato campioni sulla Terra, e campioni di vento solare sono stati raccolti dalla missione robotica Genesis. I campioni dell'asteroide 101955 Bennu, raccolti dalla sonda OSIRIS-REx, dovrebbero raggiungere la Terra nel settembre del 2023.

Contesto

La capsula di Stardust rientrata a terra, nel 2006, con il campione di una cometa.

Lo studio del sistema solare costituisce un importante obiettivo scientifico e può fornire preziosi indizi sul processo di comparsa della vita sulla Terra e sulla futura evoluzione del nostro pianeta, ad esempio permettendo di precisare i meccanismi dell'evoluzione del clima terrestre. Inoltre questi studi potrebbero anche portare alla scoperta di nuove forme di vita, che getterebbero una luce completamente nuova nel campo dell'esobiologia.

Fino all'inizio dell'esplorazione spaziale, la conoscenza dei diversi corpi del sistema solare si basava su osservazioni effettuate utilizzando telescopi terrestri e su studi di meteoriti raccolti sulla superficie della Terra. Le informazioni ottenute erano frammentarie anche se gli inizi della spettroscopia consentirono di determinare parzialmente e grossolanamente i principali elementi chimici presenti sulla superficie di questi corpi o nelle loro atmosfere. Oggetti distanti o troppo piccoli erano fuori dalla portata dei telescopi più potenti, così come la faccia nascosta della Luna.

Le prime sonde spaziali, che sorvolarono solo la Luna, Marte e Venere, produssero in breve tempo una messe di scoperte, come l'immagine della faccia nascosta della Luna, così diversa da quella visibile dalla Terra, la sterilità della superficie di Marte o l'inferno venusiano. Il perfezionamento delle tecnologie spaziali permise di mettere in orbita intorno alla Luna, Marte e Venere le prime sonde spaziali e poi di lanciarne altre verso mete più lontane (pianeti esterni) o di più difficile accesso, come Mercurio. Queste sonde spaziali trasportavano telecamere, spettrometri che osservano in diverse lunghezze d'onda e altri strumenti che consentirono di ottenere informazioni remote sulla topografia e la struttura di questi corpi, la composizione elementare, isotopica e molecolare della loro superficie e atmosfera. Queste sonde scoprirono una grande diversità di corpi celesti: oceani sotterranei su Europa e Ganimede, chimica complessa su Titano, vulcanismo su Io, ecc. In seguito i veicoli spaziali robotici vennero perfezionati e atterrarono sulla superficie della Luna (programma Surveyor), quindi su Marte (programma Viking, Mars 3) e Venere (programma Venera), consentendo uno studio in situ della superficie di questi corpi. I lander Viking furono le prime sonde spaziali a tentare uno studio approfondito di campioni di suolo marziano per rilevare la presenza di organismi viventi, ma lo strumento utilizzato non riuscì a fornire informazioni utilizzabili. Le prime macchine a muoversi in superficie furono i Lunakhod sovietici nei primi anni 1970, seguiti dal rover Sojourner della missione Mars Pathfinder (1997), dal successo dei due Mars Exploration Rover (Spirit e Opportunity, 2004) ma soprattutto dal Mars Science Laboratory (Curiosity, 2011).

Vantaggi

Immagine ripresa dalla fotocamera della sonda OSIRIS-REx mentre preleva un campione dall'asteroide 101955 Bennu.

Molte importanti scoperte scientifiche sono avvenute da remoto, grazie all'impiego dei telescopi, mentre solo pochi corpi del sistema solare sono stati esplorati attraverso sonde spaziali in orbita; in alcuni casi, le sonde sono anche atterrate sulla superficie con strumenti in grado di analizzare dei campioni in situ. Sebbene l'esecuzione di tali indagini risulti tecnicamente più semplice rispetto a una missione di raccolta di campioni, gli strumenti di analisi disponibili in un laboratorio terrestre sono molto più avanzati e diversi da quelli con cui può essere equipaggiata una sonda spaziale; essendo disponibili sulla Terra anche strumenti che possono distinguere il materiale extraterrestre da quello derivato da un'eventuale contaminazione di organismi terrestri.

Le limitazioni imposte dalle condizioni di lancio alle sonde spaziali (in termini di massa del carico utile e di energia disponibile) consentono di trasportare solo un numero limitato di piccoli strumenti, progettati molto tempo prima dell'inizio della missione per compiere una precisa strategia di osservazione, ma dotati di una risoluzione relativamente bassa. Disponendo di campioni sulla Terra, si possono effettuare nuove indagini sui campioni raccolti anche dopo diverso tempo, beneficiando del progresso tecnologico degli strumenti di analisi nel corso degli anni.

Ad esempio, i campioni di suolo lunare riportati nell'ambito del programma Apollo, sono stati rianalizzati in tempi più recenti con strumenti più sofisticati non esistenti all'epoca dello sbarco umano sulla Luna. Le nuove analisi hanno permesso di specificare l'età del nostro satellite, come e quando si è formata la crosta lunare, come si è formata la Luna e come e quando si è formato il legame con la Terra.

Obiettivi

Immagine artistica della missione di ritorno campioni Mars Sample Return.

Al 2023, a parte missioni che hanno riportato a Terra campioni di suolo lunare, asteroidale o polvere interplanetaria, nessuna missione ha ancora riportato campioni di un pianeta terrestre. Le difficoltà risiedono in particolar modo nell'energia richiesta che consenta a un razzo di alzarsi dalla superficie, e poi ritornare verso la Terra. Marte, per la sua vicinanza e accessibilità alla superficie, è il primo obiettivo dal quale riportare campioni sulla Terra incontaminati (a differenza dei meteoriti di origine marziana) da analizzare nei più sofisticati laboratori terrestri per capire se sul pianeta rosso esiste o è esistita la vita. Una missione in fase di sviluppo è la Mars Sample Return, missione congiunta di NASA ed ESA, che usando il rover Perseverance ha già iniziato la raccolta dei primi campioni da rimandare a Terra nella prima metà degli anni 2030.

Nel caso di Venere le difficoltà rispetto a Marte sarebbero enormemente maggiori, per via della maggior gravità e per l'ambiente ostile. Una missione di ritorno da Venere di campioni non potrebbe essere gestita con dei rover, la raccolta dovrebbe avvenire in tempi ristretti e sarebbe casuale, poiché le condizioni estreme della superficie venusiana danneggerebbero in breve tempo gli strumenti di un lander. Sarebbe più semplice, nel caso di Venere, una raccolta di campioni dell'alta atmosfera.

Mercurio è il meno studiato ed esplorato dei pianeti terrestri, a causa della sua vicinanza al Sole ed è poco osservato dai telescopi, anche spaziali, per il rischio che la luce solare possa danneggiarne l'ottica. Nonostante l'assenza di atmosfera e la minor gravità rispetto a Venere, una missione che consenta l'atterraggio di un lander per raccogliere campioni resta comunque impegnativa per l'alta temperatura dell'emisfero diurno e il lungo "giorno mercuriano". Dopo la fine della missione BepiColombo che studierà il pianeta in modo dettagliato, verrà valutata una missione di ritorno di campioni da Mercurio.

Il ritorno di campioni da alcune lune dei pianeti giganti sarebbe di notevole importanza per l'astrobiologia, ad esempio Europa ed Encelado hanno un oceano sotto la superficie di acqua salata da cui fuoriescono pennacchi di acqua e gas; una missione più semplice di quella di un lander sarebbe inviare una sonda che attraversa questi pennacchi raccogliendo i gas e incapsulandoli per trasportarli sulla Terra. Tuttavia le risorse richieste per missioni di questo tipo sono notevoli, in primis per la distanza dalla Terra; inoltre un campione recuperato, ad esempio da Europa, dovrebbe essere conservato per lunghi periodi di tempo a una temperatura non superiore ai 40 kelvin in contenitori totalmente ermetici, per evitare la fuoriuscita di gas.

Lista delle missioni di ritorno dei campioni

Missioni passate o in corso

Data di lancio	Missione	Agenzia spaziale	Tipo di campione	Modalità di prelevamento	Quantità del campione	Data di ritorno sulla Terra	Stato
14 giugno 1969	Luna 15B	Unione Sovietica	regolite lunare	lander munito di pala			Fallita (al lancio)
13 luglio 1969	Luna 15	Unione Sovietica	regolite lunare	lander munito di pala			Fallita (all'atterraggio sulla Luna)
16 luglio 1969	Apollo 11	NASA	roccia lunare / regolite	raccolta dall'equipaggio	21,55 kg	24 luglio 1969	Successo
23 settembre 1969	Kosmos 300	Unione Sovietica	regolite lunare	lander munito di pala			Fallita (bloccata in orbita terrestre bassa)
22 ottobre 1969	Kosmos 305	Unione Sovietica	regolite lunare	lander munito di pala			Fallita (bloccata in orbita terrestre bassa)
14 novembre 1969	Apollo 12	NASA	roccia lunare / regolite	raccolta dall'equipaggio	34,4 kg	24 novembre 1969	Successo
6 febbraio 1970	Luna 16A	Unione Sovietica	regolite lunare	lander munito di pala			Fallita (all'atterraggio sulla Luna)
11 aprile 1970	Apollo 13	NASA	roccia lunare / regolite	raccolta dall'equipaggio		17 aprile 1970	Fallimento (nessun sbarco sulla Luna ma sopravvivenza dell'equipaggio)
12 settembre 1970	Luna 16	Unione Sovietica	regolite lunare	lander munito di pala	101 g	24 settembre 1970	Successo
31 gennaio 1971	Apollo 14	NASA	roccia lunare / regolite	raccolta dall'equipaggio	43 kg	9 febbraio 1971	Successo
26 luglio 1971	Apollo 15	NASA	roccia lunare / regolite	raccolta dall'equipaggio	77 kg	7 agosto 1971	Successo
2 settembre 1971	Luna 18	Unione Sovietica	regolite lunare	lander munito di pala			Fallita (all'atterraggio sulla Luna)
16 aprile 1972	Apollo 16	NASA	roccia lunare / regolite	raccolta dall'equipaggio	95,8 kg	27 aprile 1972	Successo
14 febbraio 1972	Luna 20	Unione Sovietica	regolite lunare	lander munito di pala	55 g	25 febbraio 1972	Successo
7 dicembre 1972	Apollo 17	NASA	roccia lunare / regolite	raccolta dall'equipaggio	110 kg	19 dicembre 1972	Successo
28 ottobre 1974	Luna 23	Unione Sovietica	regolite lunare	lander munito di pala			Fallita (trapano danneggiato)
16 ottobre 1975	Luna 24A	Unione Sovietica	regolite lunare	lander munito di pala			Fallita (al lancio)
9 agosto 1976	Luna 24	Unione Sovietica	regolite lunare	lander munito di pala	170 g	22 agosto 1976	Successo
7 febbraio 1999	Stardust	NASA	coda della cometa 81P/Wild	collettore con aerogel		15 gennaio 2006	Successo
8 agosto 2001	Genesis	NASA	particelle di vento solare	collettore di particelle	più di un milione di particelle	8 settembre 2004	Successo parziale (capsula di ritorno sventrata all'atterraggio sulla Terra)
9 maggio 2003	Hayabusa	JAXA	25143 Itokawa	proiettile sparato da distanza ravvicinata e raccolta detriti	1500 granelli di suolo	13 giugno 2010	Successo parziale (campione raccolto minore del previsto)
8 novembre 2011	Phobos-Grunt	Roscosmos	suolo di Fobos	lander con braccia robotiche			Fallita (al lancio)
3 dicembre 2014	Hayabusa 2	JAXA	162173 Ryugu	sparo di un proiettile a distanza ravvicinata e raccolta detriti	5,4 g	5 dicembre 2020	Successo
23 novembre 2020	Chang'e 5	CNSA	regolite lunare	lander munito di pala e trapano	1731 g	16 dicembre 2020	Successo
6 settembre 2016	OSIRIS-REx	NASA	101955 Bennu	spruzzo di azoto per sollevare regolite dalla superficie	> 60 g di regolite	settembre 2023	In corso

Missioni programmate

Data di lancio	Missione	Agenzia spaziale	Tipo di campione	Modalità di prelevamento	Quantità del campione	Data di ritorno sulla Terra	Stato
2024	Chang'e 6	CNSA	regolite lunare	lander munito di pala e trapano	~ 2 kg	2024	In fase di sviluppo
2024	Martian Moons Exploration	JAXA	suolo di Fobos	lander	> 10 g	2029	In fase di sviluppo
2026	Mars Sample Return	NASA/ESA	suolo marziano, nuclei di varie rocce	prelievi effettuati dal rover Perseverance		2031	In fase di sviluppo

Missioni in fase di studio

Data di lancio	Missione	Agenzia spaziale	Tipo di campione	Modalità di prelevamento	Quantità del campione	Data di ritorno sulla Terra	Stato
2025	Tianwen 2	CNSA	469219 Kamoʻoalewa	lander con braccia robotiche	> 200 g		Fase di studio
~2027	Luna 28	Roscosmos	regolite lunare	lander	1 kg		Fase di studio
2028	Tianwen 3	CNSA	Marte	rover		2031	Fase di studio

Bibliografia

• Andrea Longobardo, Sample Return Missions - The Last Frontier of Solar System Exploration, Elsevier, 2021, ISBN 978-0-12-818330-4.

Voci correlate

• Mars Sample Return
• Programma Luna
• Esplorazione della Luna
• Esplorazione di Marte
• Esplorazione degli asteroidi
• Protezione planetaria