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Razzi riutilizzabili e viaggi ipersonici: La prossima era dell’innovazione spaziale

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La Rivoluzione Riutilizzabile

Dalla prima messa in orbita dei satelliti con lo Sputnik nel 1957, all’atterraggio sulla Luna del 1969, alla prima stazione spaziale del 1971 e al primo turista spaziale del 2001, tutti gli accessi allo spazio avvenivano con razzi monouso.

C’erano buone ragioni tecniche per i razzi monouso, dallo stress imposto ai materiali per raggiungere l’orbita alle difficoltà di evitare danni a causa del calore estremo del rientro e ai rischi associati all’atterraggio. Tuttavia, dal punto di vista economico è piuttosto folle.

Immaginate se ogni volta che un aereo passeggeri o cargo decollasse da Parigi a New York, l’intero velivolo venisse smontato per rottamazione. Questo renderebbe il viaggio aereo proibitivamente costoso, limitato alle circostanze più rare. Ed è così che il volo spaziale era bloccato, utilizzabile solo per satelliti commerciali e militari di alto valore, costosi programmi scientifici e progetti giustificati solo dall’orgoglio nazionale.

Tutto questo è cambiato con SpaceX (SPCX ) di Elon Musk, che è riuscita a realizzare ciò che si credeva impossibile: razzi riutilizzabili e affidabili.

Rinnovando solo piccole parti del razzo, si ammortizza il costo del lanciatore orbitale su decine di lanci, riducendo i costi totali più che mai.

Questo ha anche aperto la strada a molte altre aziende per replicare il successo di SpaceX, ognuna con la propria modifica alla formula di SpaceX. Ha inoltre riacceso una nuova corsa allo spazio tra le grandi potenze, con Cina e Russia che si alleano contro gli USA e le sue aziende innovative.

E, in ultima analisi, dovrebbe aprire la strada all’umanità verso una vera economia globale basata nello spazio, con promesse di basi lunari, colonizzazione di Marte e energia solare orbitale illimitata.

Come Funzionano i Razzi Riutilizzabili

Il motivo per rendere un razzo riutilizzabile è evidente. Riutilizzandolo più volte i costi totali del razzo diminuiscono notevolmente per lancio e per chilogrammo in orbita. Qualsiasi altra cosa che renda il razzo più economico o più facile da costruire è, naturalmente, altrettanto ben accetta.

Come farlo è una questione più complessa, a lungo ritenuta impossibile da rispondere correttamente con la tecnologia attuale. Mentre altre aziende potrebbero introdurre i propri metodi, il metodo di SpaceX ha davvero spianato la strada, basandosi su alcune idee chiave che hanno reso i razzi riutilizzabili una realtà.

Integrazione Verticale

La prima decisione importante presa da SpaceX è stata quella di non dipendere da nessuno per la progettazione del loro razzo. Quindi, invece del metodo tradizionale di assemblare tecnologia da varie aziende specializzate in razzi, serbatoi di carburante, elettronica, ecc., SpaceX ha deciso di acquistare componenti preconfezionati e assemblarli autonomamente nel proprio design, o addirittura di fabbricarli da zero.

Sebbene più complesso, ciò ha fornito un livello di controllo molto maggiore sul design finale e una profonda comprensione di ciò che poteva essere migliorato o andare storto.

Questo ha anche eliminato molti intermediari dall’equazione economica, aumentando i margini.

Ripensare il “Space Grade”

Per molto tempo, le aziende spaziali hanno continuato a utilizzare solo componenti “space-grade” per i loro razzi. Questo spesso significa parti progettate su misura, prodotte in piccole quantità, che non potevano beneficiare delle economie di scala né nella progettazione né nella produzione.

Di conseguenza, ogni singola parte di un razzo tradizionale era gravemente sopravvalutata. Un buon esempio è come SpaceX abbia costruito il proprio sistema radio, riducendo il prezzo di 10-20 volte.

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Oltre a costruire i propri motori, corpi di razzo e capsule, SpaceX progetta le proprie schede madri e circuiti, sensori per rilevare le vibrazioni, computer di volo e pannelli solari.

Il risparmio sui costi per una radio fatta in casa è drammatico, passando da tra $50.000 e $100.000 per le apparecchiature industriali utilizzate dalle aziende aerospaziali a $5.000 per l’unità di SpaceX.

Ashlee Vance nella sua nuova biografia di Elon Musk

Fallire Velocemente, Innovare Ancora Più Velocemente

Un altro cambiamento è stato un atteggiamento molto inusuale nei confronti del fallimento. Le aziende spaziali tradizionali erano notoriamente conservative, riluttanti a correre rischi per non mettere in pericolo finanziamenti vitali e reputazione.

Non avendo nulla da perdere, SpaceX era pronta a mantenere un calendario di test e lanci molto rapido, a rischio di fallimenti catastrofici a volte.

Questa cultura aziendale importata dalla Silicon Valley ha favorito l’innovazione e la creatività nel team e ha anche aiutato ad attrarre talenti di alto livello desiderosi di avere l’opportunità di fare di più con meno burocrazia, anche con salari più bassi.

Questa disponibilità a correre rischi si è tradotta in tempi di turnaround rapidi per il rinnovamento dei razzi dopo un lancio, con il riutilizzo medio del Falcon 9, attualmente il principale razzo di SpaceX, sceso sotto i 50 giorni nel 2024 e raggiungendo un record di 14 giorni per il più veloce.

Abbracciare le Nuove Tecnologie

Da questa tolleranza al fallimento è nata anche l’integrazione di nuovi concetti e tecnologie. Per esempio, la stampa 3D è stata adottata precocemente da SpaceX, mentre in un’azienda spaziale più consolidata avrebbe potuto richiedere anni di test e discussioni.

Fonte: Elon Musk

Sono stati scelti anche diversi carburanti, come il motore a metano del Starship, che sarà una scelta perfetta per il rifornimento futuro utilizzando risorse in loco sulla Luna o su Marte.

Ritorno alle Basi

In alternativa a tecnologie nuove e rischiose, in alcuni casi, tornare alle basi è stata la scelta giusta. Per esempio, la struttura del Starship è interamente realizzata in acciaio inossidabile, invece delle leghe più “eleganti” o della fibra di carbonio solitamente scelte dalle aziende spaziali.

Questa scelta è stata fatta perché la fabbricazione, la saldatura, la riparazione e la manutenzione dell’acciaio inossidabile sono tecnologie ben comprese, probabilmente in grado di aumentare l’affidabilità del prodotto finale.

In modo simile, il semplice fatto che più è meglio è stato abbracciato da SpaceX. Il più grande razzo mai costruito, lo Starship, può trasportare più massa in orbita a un prezzo più basso semplicemente grazie alle sue dimensioni imponenti. E il modo migliore per farlo volare è utilizzare non meno di 33 motori contemporaneamente, invece di cercare di progettare un motore più complesso e più potente.

Fonte: Space.com

Creare la Propria Domanda

Poiché i viaggi nello spazio erano così costosi, non c’era una domanda massiccia per numerosi lanci successivi, ognuno con un carico orbitale enorme. Questo avrebbe potuto diventare un problema serio per SpaceX, poiché le economie di scala si attivano solo se c’è sufficiente domanda.

La soluzione è stata creare una propria domanda, con la creazione di una costellazione di satelliti di telecomunicazione in orbita bassa terrestre (LEO), Starlink. Starlink fornisce Internet ad alta velocità anche nelle località più remote.

Con costi di lancio più bassi e produzione di massa seriale dei satelliti Starlink, oltre a componenti più economici e leggeri (antenne, semiconduttori, pannelli solari), il costo della larghezza di banda dei satelliti è diminuito esponenzialmente.

Tuttavia, alla fine sarà necessario lo Starship più pesante e più grande per gestire l’obiettivo finale di una costellazione di 42.000 satelliti, poiché il decadimento delle loro orbite richiederà un flusso costante di rilanci, con ogni singolo satellite avente una durata di vita di 5 anni.

In media, sarà necessario un lancio di Starship ogni 2,3 giorni, un obiettivo realistico poiché è simile alla frequenza di lancio attuale del più piccolo Falcon 9.

Attualmente, Starlink è sulla buona strada per raggiungere 5 milioni di utenti, un numero sempre più gestibile con il design del satellite Starlink V3, con 10 volte la larghezza di banda della versione precedente.

In totale, il mercato indirizzabile per la connettività satellitare potrebbe raggiungere i 130 miliardi di dollari, principalmente guidato da famiglie senza o con scarso accesso a banda larga e con connettività diretta al dispositivo, una tecnologia ora portata con successo al pubblico da Starlink e T-Mobile.

Il Potenziale del Viaggio Ipersonico

Un altro mercato che può facilmente raggiungere altitudini orbitali e suborbitali potrebbe essere creato da zero: il viaggio ipersonico.

Quando si viaggia in aria, gli aeroplani utilizzano l’atmosfera per generare portanza ma sono anche rallentati dall’attrito, limitando la velocità massima e l’efficienza del volo supersonico.

Questo potrebbe essere parzialmente risolto da un design innovativo, come, per esempio, il volo supersonico che non genera un boom supersonico a livello del suolo, recentemente testato da Boom Supersonic. Alcuni nuovi progetti di motori a reazione, come il Ram-Rotor Detonation Engine (RRDE), potrebbe rendere i piani ipersonici una possibilità, viaggiando a velocità superiori a Mach 5 e oltre.

Un’altra opzione è semplicemente volare abbastanza in alto da rendere l’attrito dell’aria un problema inesistente.

In questo caso, lo Starship, con i suoi 100-200 tonnellate di carico orbitale, e di più per voli a bassa quota, potrebbe essere un’opzione interessante per trasportare, relativamente, passeggeri umani leggeri.

Volo Orbital Point-To-Point

Andando in orbita prima di atterrare di nuovo, razzi come lo Starship potrebbero trasformare un viaggio di andata e ritorno di 28 ore, come un volo transpacifico, in appena 6 ore, con probabilmente più tempo trascorso in aeroporto/spaceport per registrare bagagli e passaporti rispetto al volo.

Con una stima di circa $200/kg per LEO con Starship, e una massa media passeggero + bagaglio di 110 kg, questo porterebbe il costo di un viaggio di andata e ritorno verso qualsiasi punto del globo a $44.000.

Sebbene sia un prezzo elevato, potrebbe essere sufficiente a catturare una piccola parte dei voli globali per renderlo economicamente sostenibile.

Ad esempio, solo il 5% dei passeggeri che volano in prima classe passando al volo ipersonico rappresenterebbe un mercato da $35 miliardi. Se la metà lo facesse, sarebbe comunque un mercato da $35 miliardi.

Lo stesso tipo di voli ultra-veloci è anche considerato per applicazioni militari e umanitarie dal Pentagono, attraverso il Rocket Cargo Program.

Opportunità di Investimento

SpaceX

Essendo 10 anni avanti rispetto alla concorrenza, SpaceX, quotata privatamente, è l’elefante nella stanza delle aziende che cercano di conquistare il mercato dei lanci orbitali.

Da Falcon 1 a Falcon 9 e ora Starship, SpaceX ha spinto i limiti di ciò che è possibile per l’industria dei voli spaziali, lasciando i concorrenti tradizionali come Boeing nella polvere.

L’ambizione dell’azienda sembra farla concentrare sul più grande razzo possibile a sua disposizione, con il piccolo lanciatore Falcon 1 ormai praticamente abbandonato, e voci che lo stesso destino possa attendere il Falcon 9 una volta che lo Starship avrà dimostrato la sua affidabilità.

È probabile che ciò avvenga relativamente presto, poiché lo Starship ha gestito diversi intercetti in volo dalla torre di atterraggio “Mechazilla”.

Tuttavia, alcuni problemi devono ancora essere risolti, come dimostra la recente esplosione della seconda parte dello Starship, che ha portato a una “smontaggio rapido e non programmato”, con un altro test un mese dopo volto a correggere il problema che l’ha causato.

A lungo termine, l’obiettivo finale di SpaceX non è tanto l’orbita terrestre, quanto contribuire all’obiettivo della Missione Artemis di costruire una base lunare, e forse anche prima di ciò una missione privata per effettuare il primo atterraggio su Marte, il vero obiettivo di vita di Musk.

Questo focus su missioni nello spazio profondo che richiedono rifornimento in orbita, così come la costruzione della costellazione Starlink, potrebbe lasciare spazio ad altri fornitori di lanci, poiché questi ambiziosi obiettivi probabilmente assorbiranno la maggior parte della capacità di lancio di SpaceX per diversi anni, o anche un decennio se Musk desidera davvero costruire una città su Marte.

Rocket Lab

RKLB Grafico dei prezzi

Di gran lunga l’azienda di razzi quotata in borsa più prominente, Rocket Lab (RKLB ) è dietro a SpaceX, l’azienda con il maggior numero di lanci all’anno, davanti non solo ai concorrenti privati ma anche a Cina e Russia.

L’azienda si affida attualmente al suo piccolo razzo di lancio parzialmente riutilizzabile Electron, un razzo approssimativamente equivalente al Falcon 1 di SpaceX, specializzato in lanci rapidi e traiettorie orbitali rare.

Dovrebbe lanciare il suo nuovo razzo più pesante, Neutron, nel prossimo anno, che sarà approssimativamente equivalente al Falcon 9 di SpaceX.

L’azienda sta simultaneamente sviluppando HASTE (Hypersonic Accelerator Suborbital Test Electron), un razzo Electron modificato con un grande carico di 700 kg per altitudini suborbitali, per aiutare gli USA a testare nuovi design e recuperare il ritardo rispetto alla tecnologia missilistica ipersonica cinese e russa.

Fonte: Rocket Lab

Rocket Lab è anche un costruttore di satelliti e componenti satellitari, essendo la prima “azienda spaziale end-to-end” per satelliti non telecom (dove SpaceX potrebbe rivendicare la corona). Questo la rende un partner chiave per i contraenti della difesa, e per le aziende scientifiche e di telecomunicazione.

Fonte: Rocket Lab

Rocket Lab è stata importante nella produzione di pannelli solari spaziali, sin dalle acquisizioni del 2022 di SolAero Technologies. Possiede più di 1000 satelliti alimentati da questi pannelli e oltre 500 satelliti programmati per il lancio nei prossimi anni con l’hardware solare di Rocket Lab, per un totale di 4 MW di celle solari prodotte.

L’operazione satellitare fornisce un notevole flusso di cassa all’azienda, oltre a una preziosa pipeline di contratti di lancio.

A lungo termine, il successo di Rocket Lab dipenderà probabilmente dalla capacità del razzo Neutron di ottenere contratti sufficienti per raggiungere le economie di scala necessarie a competere alla pari con SpaceX.

Blue Origin

Un altro progetto di un miliardario della tecnologia, Blue Origin è stato creato dal fondatore di Amazon (AMZN ) Jeff Bezos. Nonostante finanziamenti molto più grandi, finora è rimasto un po’ indietro rispetto a SpaceX in termini di sviluppo.

Mentre ciò può essere attribuito a scelte tecnologiche diverse, i fattori più importanti sono un obiettivo finale molto diverso e un approccio all’ingegneria differente.

Mentre SpaceX ha una filosofia “rompere le cose e muoversi velocemente”, Blue Origin (e Amazon) hanno un approccio più “lento e costante”, riflesso nel suo motto “Gradatim Ferociter”, che in latino significa “Passo dopo passo, ferocemente”.

Questo rende il confronto tra le due aziende un potenziale richiamo alla favola della lepre e della tartaruga. È un confronto che Blue Origin abbraccia chiaramente, fino ad avere una tartaruga nello stemma dell’azienda.

Il tanto atteso volo di successo del New Glenn a gennaio 2025, che ha rappresentato il primo tentativo di lancio orbitale dell’azienda, ha riportato Blue Origin nella corsa in modo spettacolare. Questo successo è arrivato dopo un cambio di leadership, con il CEO di Blue Origin proveniente da Amazon, Dave Limp, che ha sostituito il precedente CEO Bob Smith, originariamente proveniente da Honeywell.

Il New Glenn è anche un razzo massiccio, più grande anche del Falcon Heavy e solo superato dallo Starship.

Il New Glenn dovrebbe essere in grado di lanciare 45 tonnellate in orbita, una capacità impressionante, soprattutto per un primo lancio orbitale. Blue Origin è anche completamente integrata verticalmente e sta ora aumentando la produzione sia del booster che del secondo stadio del New Glenn.

Un altro progetto futuro per Blue Origin è il suo lander lunare, con il Mark 1 previsto per il lancio nel 2026, e il Mark 2, due volte più grande, già in preparazione.

Infine, l’obiettivo finale di Blue Origin è unico. Non è la Luna o Marte, ma l’idea di spostare tutte le industrie pesanti e inquinanti dalla Terra, e forse anche la maggior parte della popolazione mondiale, in enormi habitat artificiali.

Fonte: Blue Origin

Sfide & Rischi

Sicurezza

I veicoli di lancio spaziale sono per loro natura pericolosi, trasportando oltre il 90% del loro peso in carburante molto reattivo e instabile, per poi usarlo per una propulsione ad alta temperatura e alta velocità.

Quindi, sebbene la riutilizzabilità sia ormai una tecnologia provata e collaudata, persiste il rischio di non rilevare qualche stress meccanico o un guasto critico nascosto durante le revisioni che durano appena qualche settimana.

Questo è già problematico per i satelliti, ma meno tollerabile per gli astronauti; ed è completamente inaccettabile per i voli ipersonici regolari con passeggeri commerciali.

Più grandi sono i razzi, più rischi ci sono per le strutture a terra e per la popolazione in caso di un guasto.

Quindi, in generale, mentre il nostro futuro è chiaramente nello spazio, e più presto di quanto sperato prima di SpaceX, possiamo aspettarci che la sicurezza e la regolamentazione possano rallentarci un po’ nel percorso verso la prenotazione casuale di un biglietto per la Luna o Marte.

Contratti Governativi

Fino ad ora, molte aziende come SpaceX e tutte le altre compagnie spaziali sono state fortemente legate a contratti governativi, dalle missioni NASA ai contratti segreti del Pentagono o agli interessi nazionali e alle politiche scientifiche e industriali delle agenzie spaziali europee, russe e cinesi.

Per diventare davvero un’industria autonoma, le compagnie spaziali dovranno ottenere la maggior parte dei loro ricavi da attività commerciali.

Attualmente, i due settori più probabili a fornire centinaia di miliardi annui per sostenere il progresso dell’industria sono Internet basato nello spazio e i voli ipersonici.

Commercializzazione & Strategia di Investimento

Un altro probabile candidato per la commercializzazione entro gli anni 2040 sarà l’energia solare basata nello spazio, che potrebbe fornire alla Terra una fornitura illimitata di energia verde prodotta costantemente, un’idea che abbiamo sviluppato in dettaglio in “Space-Based Energy Solutions For Endless Clean Energy”.

Prima di ciò, il turismo spaziale potrebbe diventare un’industria a sé stante, poiché l’esperienza dell’assenza di peso, e forse una breve permanenza di qualche giorno in orbita, sarebbe molto apprezzata e competerebbe con altre forme di “avventure di lusso estremo” come l’ascensione del Monte Everest.

Un’ultima opzione potrebbe essere l’estrazione di asteroidi, una tecnologia ancora non sviluppata, ma che potrebbe potenzialmente sostituire gran parte dell’industria mineraria da $2,2 trilioni. Tuttavia, tutte queste opzioni probabilmente richiederanno un decennio o due prima di generare ricavi significativi, il che può essere letale per la maggior parte delle aziende.

Quindi, indipendentemente dal percorso di commercializzazione dello spazio, è probabile che solo pochi fornitori chiave avranno successo. Storicamente, i piccoli fornitori di lanci hanno avuto un alto tasso di fallimento, con solo 17 operativi su quasi 200 creati dal 1996.

Con la posizione già forte di attori privati come SpaceX e Blue Origin, e probabili nuovi concorrenti forti provenienti dalla Cina con supporto statale in futuro, questo potrebbe essere un panorama difficile per gli investitori.

Potenzialmente, altre forme di aziende spaziali, come ad esempio lo sviluppo di moduli abitativi o fattorie idroponiche autonome per futuri hotel spaziali e basi lunari, potrebbero rappresentare altri tipi di investimenti vincenti nella futura economia spaziale.

Conclusione

Il crollo dei costi per raggiungere l’orbita sta cambiando completamente l’industria spaziale, aprendo un modo totalmente nuovo di guadagnare dal raggiungimento dell’orbita. Questo sta facendo passare il settore da un’industria guidata dalla difesa e dal governo a imprese più orientate al commercio.

Nel prossimo futuro, le telecomunicazioni saranno probabilmente il principale motore di ricavi, seguite dai voli ipersonici e dal turismo spaziale. A lungo termine, industrie molto più grandi come i settori dell’energia e delle miniere, o persino la produzione, potrebbero iniziare a spostarsi nello spazio.

Per ora, SpaceX è stato il quasi vincitore incontestato di questa nuova corsa allo spazio, grazie alla leadership di Elon Musk. Tuttavia, ciò potrebbe cambiare presto, con seri concorrenti come Rocket Lab e Blue Origin che si stanno avvicinando, così come futuri concorrenti dalla Cina.

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Jonathan è un ex ricercatore biochimico che ha lavorato nell'analisi genetica e nelle sperimentazioni cliniche. Ora è un analista di titoli e scrittore finanziario con un focus su innovazione, cicli di mercato e geopolitica nella sua pubblicazione 'The Eurasian Century'.