Infrastruttura Spaziale – Costruire Scale per il Cielo

Una Nuova Era Spaziale

Con l’invenzione di razzi riutilizzabili affidabili da parte di Elon Musk e SpaceX, è partita una nuova corsa allo spazio. Ciò è dovuto al fatto che ha ridotto i costi di raggiungimento dell’orbita di quasi 10 volte, con ulteriori riduzioni dei costi attesi dal massiccio Starship.

Source: Ark Invest

Ciò ha portato alla situazione attuale, in cui nel 2023, la stragrande maggioranza di ciò che è stato inviato in orbita, sia in termini di massa che di numero di satelliti, è stato lanciato da SpaceX.

Starship sarà in grado di inviare in orbita terrestre bassa (LEO) tra 50-200 tonnellate di materiale ogni lancio, a seconda delle stime. Sarà un grande passo avanti, probabilmente permettendo nuovi traguardi nella storia dell’umanità, tra cui:

• Basii permanenti sulla Luna.
• Prima spedizione umana su Marte.

Se desideri saperne di più su come sarebbe un mondo in cui queste cose sono già avvenute e su come potrebbero creare un’economia spaziale autosufficiente, puoi leggere di più nei nostri articoli “L’Economia Spaziale del Futuro” e “L’Economia Marziana del Futuro“.

Starlink e costellazioni di satelliti simili sono enormi infrastrutture spaziali già in costruzione. Rendono possibile l’accesso a Internet ad alta velocità ovunque sulla Terra e sono previsti come la principale fonte di flusso di cassa di aziende come SpaceX, che già ha milioni di abbonati paganti.

Source: Ark Invest

Tuttavia, i lanci spaziali basati su razzi sono fondamentalmente limitati dalla fisica su cui si basa la tecnologia. Una parte chiave è che i razzi devono espellere una quantità ridicolmente grande di carburante per decollare. Ad esempio, il Falcon Heavy di SpaceX è un razzo da 22,2 tonnellate, con una massa di 433 tonnellate quando è pieno di carburante. Ciò significa che alla fine, la maggior parte del carburante viene spesa solo per sollevare più carburante.

Per scendere al di sotto della barriera dei 100 $/kg di costi di lancio, saranno necessari metodi completamente diversi dai razzi.

Se i costi di lasciare la gravità della Terra scendono abbastanza, molte cose potrebbero essere costruite nello spazio.

Grandi Realizzazioni Richiedono Infrastrutture

Affidarsi solo ai razzi per raggiungere lo spazio è simile a fare tutto il trasporto e il commercio sulla Terra utilizzando solo aerei ed elicotteri. Sebbene tecnicamente non impossibile, sarebbe assurdamente costoso costruire infrastrutture come porti, strade e ferrovie che ci permettono di utilizzare alternative molto più economiche.

Può essere un po’ un problema del pollo e dell’uovo quando si tratta di spazio. Finora, le grandi infrastrutture non valevano la pena di essere costruite, poiché le nostre esigenze di lancio erano solo inviare alcuni decine di satelliti e una dozzina di astronauti in orbita.

Con sistemi di lancio migliori che diventano disponibili, vedremo probabilmente nei prossimi 2 decenni una massiccia espansione dell’attività umana nello spazio. Alcune di queste saranno molto redditizie o molto finanziate, tra cui:

• Progetti scientifici di mega dimensioni, come costruire un radiotelescopio sul lato lontano della Luna.
• Basii lunari di paesi occidentali, Cina e Russia.
• Turismo spaziale, sia voli suborbitali, stazioni spaziali orbitali o sulla Luna.

Ciò creerà un mercato abbastanza grande da rendere redditizio investire decine o centinaia di miliardi solo per catturare una quota di mercato dalle aziende di razzi come SpaceX.

Propulsori a Massa

Una di queste infrastrutture, chiamata propulsore a massa, promette di ridurre drasticamente i costi di lancio. È probabilmente già fattibile con la tecnologia attualmente disponibile. L’idea chiave di un propulsore a massa è che uno shuttle potrebbe essere inviato in orbita accelerandolo abbastanza a terra in modo che non abbia bisogno di propellente a bordo.

Il modo in cui scienziati e ingegneri hanno guardato come fare ciò sarebbe creare un treno a levitazione magnetica simile al concetto di Hyperloop, che opera in un vuoto. In questo modo, né l’attrito con il binario né con le particelle d’aria rallenterebbero e surriscalderebbero il veicolo di lancio.

Source: Acepedia

La Cina sta già guardando allo sviluppo di tale tecnologia, quindi potrebbe essere più vicina di quanto ci aspettassimo.

Se sarà di successo, potrebbe ridurre di un altro fattore 10 il prezzo di lancio in orbita già molto ridotto da SpaceX, con stime che indicano costi di 60 $/kg.

A margine, questo tipo di sistema potrebbe essere utilizzato per primo con modelli di piccole dimensioni per propellere aerei a velocità in cui i motori scramjet ipersonici possono funzionare, consentendo voli ipersonici molto rapidi.

Un Vero Megaprogetto

Naturalmente, un propulsore a massa orbitale richiederebbe di raggiungere velocità estreme e dovrebbe essere assolutamente massiccio e potente per trasportare e accelerare centinaia o migliaia di tonnellate di carico per competere con lo Starship.

La pista di lancio dovrà anche essere lunga centinaia, se non migliaia di chilometri, con il candidato più promettente che è il plateau tibetano.

Tuttavia, i propulsori a massa sono ancora tra le infrastrutture spaziali meno ambiziose proposte, poiché sono principalmente limitati solo dalla disponibilità di fondi e dalla capacità di progettarle con tecnologia nota.

Ascensore Spaziale

Un altro modo noto per trasportare cose su e giù al minor costo energetico possibile è utilizzare un contrappeso, come negli ascensori. In questo modo, l’unica energia spesa è quella di sollevare il peso del carico, e non c’è bisogno di velocità estreme.

Questo è l’idea dietro un ascensore spaziale, dove si utilizza una fune lunga decine di migliaia di chilometri per trasportare su e giù massa dalla Terra. In teoria, un tale sistema potrebbe rendere il raggiungimento dell’orbita anche più economico di quanto non costi attualmente prendere un aereo.

Source: ISEC

La limitazione chiave qui è la tecnologia, non la domanda di mercato o il capitale disponibile (sebbene queste contano anche). Un cavo così lungo richiederebbe materiali ultra-leggeri con resistenza a trazione molto superiore ai materiali comuni come acciaio o titanio.

Ciò potrebbe cambiare, con supermateriali come il grafene che sembrano adatti ai requisiti tecnici, un tipo di materiale bidimensionale di cui abbiamo discusso in dettaglio nel nostro articolo “Materiali 2D, come il Grafene, Aprono Nuove Frontiere Nelle Scienze dei Materiali”.

Tuttavia, richiederebbe la produzione di massa di cristalli di grafene di alta qualità, qualcosa che non è stato ancora raggiunto. Al prezzo attuale del grafene, sarebbe assurdamente costoso.

Tuttavia, sarebbe l’infrastruttura ideale per una presenza umana sostenibile nello spazio, industrie orbitali e commercio interplanetario, con una capacità di 30.000 tonnellate all’anno in orbita geosincrona, o l’equivalente di decine di lanci di Starship ogni giorno.

Puoi vedere di più su questo concetto in questo video di un’ora del Consorzio Internazionale per l’Ascensore Spaziale:

Struttura Orbitale Mega

Se mai riuscissimo a costruire un ascensore spaziale o a creare strutture di produzione su larga scala sulla Luna utilizzando materiali da asteroidi, potremmo immaginare un tipo di infrastruttura ancora più grandiosa.

Ad esempio, un anello orbitale è l’idea di costruire una struttura che circonda l’intera Terra.

Source: Isaac Arthur

Un tale sistema rimarrebbe in orbita grazie alla forza centrifuga che compensa la gravità della Terra. Fornirebbe habitat nello spazio, stazioni di manutenzione, siti di lancio per missioni nello spazio profondo, punti di ancoraggio per la generazione di energia (pannelli solari) e persino potenzialmente la mitigazione del clima con ombreggiatori solari.

Tuttavia, un tale concetto è così ambizioso dal punto di vista tecnologico e infrastrutturale che probabilmente non sarà mai realizzato fino a quando non saranno costruiti prima i propulsori a massa e un ascensore spaziale.

Stazioni di Estrazione e Lavorazione

L’idea di estrarre asteroidi per materie prime e lavorare il minerale nello spazio è molto più accessibile e realistica.

Molti asteroidi sono molto ricchi di metalli; in effetti, la cintura degli asteroidi nel nostro sistema solare contiene ~8% di asteroidi ricchi di metalli (tipo M). Con l’intera cintura degli asteroidi che pesa 2,4 quintilioni di tonnellate, si tratta di molto metallo.

Source: ESA – Le due aree in cui si trovano la maggior parte degli asteroidi del sistema solare: la cintura degli asteroidi tra Marte e Giove, e i troiani, due gruppi di asteroidi che si muovono davanti e dietro Giove nella sua orbita intorno al Sole.

Sulla Terra, stiamo scavando fino a 2-4 km per l’oro o il platino. Ma un solo asteroide, 16 Psyche, potrebbe essere un pezzo di metallo da 200 km in attesa di essere estratto per un valore (ai prezzi attuali) di 10-700 quintilioni.

Quindi, ci sono 2 tipi di estrazione spaziale che potrebbero essere molto redditizi:

• Materie prime rare come oro e platino da spedire sulla Terra.
• Materie prime di base che possono essere utilizzate in orbita per costruire navicelle spaziali, alberghi spaziali, ecc., senza dover pagare il costo esorbitante di sollevare questi materiali dalla Terra.

Probabilmente, un’impresa di estrazione di asteroidi guadagnerebbe denaro da entrambi, catturando e portando vicino alla Terra asteroidi con minerali di alto valore. E utilizzando i rifiuti di estrazione, fatti di ferro, nichel, ecc., per costruire stazioni spaziali, basi lunari, razzi, ecc.

Un altro vantaggio è che una volta che l’attrezzatura di estrazione è stata messa nello spazio, può estrarre asteroidi in un ambiente senza gravità. Ciò può rendere l’estrazione nello spazio più facile che sulla Terra, dove spostare migliaia di tonnellate di rocce è un’attività energetica intensiva e rischiosa.

Raccoglitori Solari

Un’altra industria spaziale proposta che potrebbe diventare il motore di un’economia basata sullo spazio è l’energia solare. Nell’orbita giusta, il Sole splende 24 ore su 24 e a un’intensità molto più alta a causa della mancanza di un’atmosfera che assorba la luce.

Tali sistemi potrebbero essere sia una ragione per costruire infrastrutture spaziali (riducendo il costo dei satelliti per l’energia) che un fattore abilitante di ulteriori progressi (come alimentare stazioni di raffinazione che estraggono asteroidi).

Source: Space Solar

(Esploriamo questa idea in maggior dettaglio nel nostro articolo “Soluzioni Energetiche Basate sullo Spazio per un’Energia Pulita Illimitata”).

Propulsori a Vela Laser

Per lasciare la Terra, sono necessari razzi o infrastrutture avanzate. Ma per muoversi nello spazio, è necessaria solo un’energia molto piccola una volta che si è lontani da un pozzo di gravità. Così poca, infatti, che solo la luce può fornire abbastanza energia per farlo.

Questo è il principio fisico alla base del concetto di vela solare. Questo non è un concetto speculativo di fantascienza, ma una tecnologia reale già testata dalla NASA.

Una tale vela potrebbe essere propulsa dai raggi del Sole, ma potrebbe anche essere propulsa da un laser. Quindi, potenzialmente, invece di bruciare carburante, potremmo vedere viaggi interplanetari alimentati da laser in orbita o sulla Luna, alimentati a loro volta da satelliti solari locali.

Basi e Colonie Fuori dal Mondo

Mentre si discute di infrastrutture, la maggior parte si concentrerà sui progetti tecnologicamente sfidanti “fantastici”, come gli ascensori spaziali.

Tuttavia, ci saranno molte altre infrastrutture necessarie nello spazio, specialmente se stiamo costruendo insediamenti permanenti, dalle basi con alloggio per scienziati e turisti a città fiorenti su Marte.

Ciò include fattorie a cupola, produzione di cibo idroponico e acquaponico al chiuso, telecomunicazioni, rampe di lancio, stazioni di produzione e rifornimento di carburante, ecc., nonché strutture più ordinarie ma altrettanto vitali come centrali elettriche, linee elettriche, ospedali, strade, tubi dell’acqua, ecc.

Ciclo di Aldrin / Convogliatore

Le basi o le colonie sulla Luna saranno “facili” da rifornire direttamente dalla Terra. Portare personale o turisti all’interno e all’esterno sarà fatto in un viaggio breve, che durerà pochi giorni al massimo.

Tuttavia, andare a destinazioni più lontane come Marte richiederà un viaggio che probabilmente durerà quasi un anno o settimane al meglio. Ciò non è un problema per materie prime e attrezzature, dove ciò complica solo un po’ la logistica.

Ciò è molto più problematico per i passeggeri. Lo spazio al di là della magnetosfera della Terra è esposto a radiazioni pesanti. E in caso di una tempesta solare imprevedibile, i passeggeri in viaggio verso Marte potrebbero essere esposti a radiazioni ancora maggiori. Quindi, oltre ai primi audaci avventurieri a fare il primo passo su Marte, i viaggi dei passeggeri regolari richiederanno una nave molto pesante e schermata.

E forse con un po’ di produzione di cibo a bordo e un forte riciclo dell’acqua per limitare la quantità di approvvigionamenti che devono essere trasportati (abbiamo discusso più in dettaglio l’argomento dell’approvvigionamento alimentare nello spazio nel nostro articolo “Cibo Spaziale – Come Alimenteremo la Prossima Ondata di Pionieri dell’Umanità?”).

Ciò può essere fatto con un razzo classico. Ma ciò sarebbe uno spreco di carburante, avendo bisogno di accelerare e rallentare l’intero scudo, il supporto vitale e il cibo ogni volta.

Invece, il Ciclo di Aldrin (proposto da Buzz Aldrin, il secondo uomo sulla Luna), o Ciclo di Marte, potrebbe orbitare permanentemente in modo da arrivare regolarmente vicino alla Terra e a Marte.

Source: Ethan MacDonald

In questo modo, potreste costruire una stazione spaziale permanente per le persone in transito da e verso Marte. Avrebbe uno scudo di radiazioni pesanti e produzione di cibo, nonché stanze più confortevoli e spaziose e strutture sportive per mantenere le persone in forma nonostante l’assenza di gravità.

Source: Buzz Aldrin

Cilindri di O’Neil e Colonie di Asteroidi

Parlando di habitat spaziali, concetti più ambiziosi del pit-stop/hotel lungo la strada per Marte, come il Ciclo di Aldrin, sono stati considerati. Questo è il piano che Jeff Bezos sta perseguendo, con “un trilione di persone che vivono in enormi stazioni spaziali note anche come cilindri di O’Neil.”

Questi sono enormi cilindri la cui rotazione creerebbe una gravità artificiale all’interno, abbastanza grandi da avere centinaia di migliaia o milioni di abitanti.

Source: Blue Origin

Potrebbero essere utilizzati per offrire condizioni di vita ideali o per spostare industrie pesanti e inquinanti al di fuori degli ecosistemi della Terra.

Tale infrastruttura fornirebbe essenzialmente spazio abitativo illimitato per un numero innumerevole di persone in tutto il sistema solare. Potrebbe anche essere utilizzato per colonizzare altre stelle, poiché sono essenzialmente micropianeti autosufficienti.

Tuttavia, tale infrastruttura probabilmente arriva anche più tardi nella timeline della colonizzazione spaziale rispetto agli anelli orbitali, poiché richiederebbe una capacità di produzione spaziale annua di trilioni di tonnellate, nonché transiti avanti e indietro dalla Terra a costi quasi nulli.

Sfera di Dyson

Sull’estremità più speculativa dello spettro delle infrastrutture spaziali, la Sfera di Dyson, o sciame di Dyson.

Proposto per la prima volta da Freeman Dyson, è l’idea di utilizzare tutte le rocce e i metalli disponibili nel sistema solare e costruire uno sciame di habitat spaziali anche più grandi dei cilindri di O’Neil, potenzialmente con una superficie pari a quella della Terra ciascuno, per catturare il più possibile dell’energia solare.

Source: Wikipedia

Questo è anche considerato una sorta di “gioco finale” per qualsiasi civiltà spaziale. È difficile immaginare qualcosa di più tecnologicamente avanzato del letterale smantellamento dei pianeti per ottimizzare l’utilizzo della loro materia e dell’energia solare.

È stato un “techno-firmato” intensamente ricercato dagli astronomi per trovare segni di civiltà tecnologiche extraterrestri.

Questo è ovviamente un argomento molto controverso, ma sembra che già 60 stelle potrebbero corrispondere a questo profilo. È ancora fortemente dibattuto tra gli astronomi, poiché potrebbe semplicemente essere che hanno trovato un nuovo tipo di stella. Tuttavia, è comunque intrigante per le persone interessate all’esplorazione spaziale e aprirebbe una prospettiva completamente nuova su quanto lontano potrebbe spingersi l’umanità se si lanciasse verso le stelle.

Puoi anche trovare molte più belle opere d’arte e miniature riguardanti la colonizzazione spaziale e le infrastrutture di cui abbiamo discusso qui su Spacehabs.

Investire in Infrastrutture Spaziali

Lo spazio è un’industria molto stabilita che sta vivendo una rinascita e una crescita esplosiva sulla scia dei razzi riutilizzabili. Abbiamo discusso di come ciò creerà intere nuove opportunità nel nostro articolo “Razzi Riutilizzabili per Creare Molti Nuovi Mercati Riducendo Drasticamente i Costi”.

Il mercato spaziale attuale è di 443 miliardi di dollari. Anche ignorando idee più speculative (ma potenzialmente molto redditizie) come l’estrazione di asteroidi, il turismo spaziale e il volo ipersonico potrebbero aggiungere altri 350 miliardi di dollari di entrate, a cui può essere aggiunto un previsone di Internet satellitare del valore di 17 miliardi di dollari, nonché applicazioni militari e basi lunari sovvenzionate, progetti scientifici, ecc.

Puoi investire in aziende correlate allo spazio attraverso molti broker e puoi trovare su questo sito le nostre raccomandazioni per i migliori broker negli Stati Uniti, Canada, Australia, Regno Unito, nonché molti altri paesi.

Se non sei interessato a selezionare aziende specifiche correlate allo spazio, puoi anche guardare gli ETF come ARK Space Exploration & Innovation ETF (ARKX) o VanEck Space Innovators UCITS ETF (JEDI) per capitalizzare la crescita del settore spaziale nel suo complesso.

Aziende di Infrastrutture Spaziali

1. Rocket Lab

Rocket Lab è uno dei concorrenti più seri nel mercato dei razzi riutilizzabili. L’azienda ha inizialmente concentrato l’attenzione sui piccoli razzi, con il sistema di lancio Electron (320 kg di carico utile), che viene progressivamente trasformato in un razzo parzialmente riutilizzabile. Finora, Electron ha dispiegato 177 satelliti in 44 lanci.

In seguito, Rocket Lab sta guardando alla creazione di un razzo di medie dimensioni riutilizzabile, il Neutron, paragonabile al Falcon 9 (8.000 kg in orbita terrestre bassa in modalità completamente riutilizzabile, 1.500 kg su Marte o Venere). Il Neutron sarà alimentato da un motore a combustibile metano (come lo Starship), che sembra diventare la tendenza per la prossima generazione di razzi.

L’azienda è notevole per il suo processo di produzione di satelliti completamente integrato verticalmente, che le consente di ottimizzare i costi e la velocità di progettazione. Ciò ha portato a numerosi contratti con la NASA e il governo degli Stati Uniti, tra cui un contratto per un satellite militare da 515 milioni di dollari e un contratto civile da 143 milioni di dollari per Globalstar.

Rocket Lab è anche un importante produttore di pannelli solari per satelliti dopo l’acquisizione della SolAero Technologies nel 2022, con oltre 1.000 satelliti alimentati da questi pannelli e 4 MW di celle solari prodotte in totale.

Source: Rocket Lab

Per ora, il suo sistema di lancio dipende da fornitori esterni, ma una serie di acquisizioni strategiche dovrebbe cambiare questo, replicando nel sistema di lancio l’integrazione verticale già raggiunta nella progettazione e produzione di satelliti.

L’azienda sta anche guardando alla possibilità di una costellazione di telecomunicazioni LEO per generare entrate ricorrenti. Sta anche contribuendo alla ricerca per la produzione nello spazio con Varda Space Industries e l’ispezione dei detriti orbitali.

Mentre SpaceX aveva il talento imprenditoriale di Elon Musk per sviluppare la sua tecnologia da zero, Rocket Lab ha utilizzato una combinazione di R&S e acquisizioni per integrare verticalmente la tecnologia necessaria. Ciò si è dimostrato molto efficace nella produzione di satelliti e ora stanno cercando di replicare questa strategia per i razzi riutilizzabili.

Considerando il flusso di cassa esistente dalla produzione di satelliti e i successi di Electron, Rocket Lab è un buon candidato per raggiungere SpaceX, almeno fino a quando non saranno costruiti propulsori a massa e altre infrastrutture in pochi decenni.

2. Virgin Galactic

L’azienda è stata fondata da Richard Branson e si concentra sul turismo spaziale.

I biglietti sono nel range di 250.000-450.000 dollari, con una lunga lista d’attesa. I primi clienti sembrano essere estatici per la loro esperienza:

“Sapevo sempre che sarebbe stata l’esperienza più straordinaria della mia vita. Sapevo sempre che sarebbe stato così. E la gente mi ha detto che sarebbe stato. Ma poi quando è… e è su un altro livello rispetto all’esperienza che pensavo di avere… allora è molto difficile da spiegare.”

“Questo è stato il miglior giorno della mia vita, il giorno più sensazionale della mia vita. E non puoi avere nulla di meglio di questo. Ha superato i miei sogni più selvaggi.”

Virgin Galactic ha lavorato per migliorare la sua economia, con un nuovo sistema di lancio, il “Delta”, in grado di trasportare 6 passeggeri invece di 4 e di eseguire 8 voli al mese invece di uno solo.

Insieme, questi 2 parametri migliorati dovrebbero aumentare le entrate per unità di 12 volte, con un tempo di ritorno sull’investimento di meno di 6 mesi per ogni shuttle Delta. Il test di volo Delta è previsto per la metà del 2025.

Source: Virgin Galactic

I mercati erano preoccupati quando è stato annunciato che Branson non avrebbe investito ulteriormente in Virgin Galactic. Specialmente dopo il licenziamento di 185 dipendenti e una pausa dei voli spaziali nel 2024, per aspettare l’arrivo dello shuttle Delta e ridurre la velocità di combustione dei contanti.

Tuttavia, Virgin Galactic è previsto avere abbastanza contanti per funzionare fino al 2025 o 2026. Quindi, se lo sviluppo del sistema di volo Delta va liscio (una proposizione rischiosa nell’industria aerospaziale), l’azienda dovrebbe essere in grado di concentrarsi sul riavvio e sulla crescita del flusso di cassa, con un sistema che è redditizio a livello di unità. E portare l’azienda a raggiungere un flusso di cassa positivo nel 2026.

Source: Virgin Galactic

(Si noti che Virgin Galactic è diversa da Virgin Orbit. Virgin Orbit ha presentato istanza di fallimento nell’aprile 2023 e ha fornito servizi di lancio per piccoli satelliti, con Rocket Lab che acquisisce la struttura di Long Beach, la produzione e gli asset di utensili di Virgin Orbit).

Il recente fallimento di Virgin Orbit e la distanza di Virgin Galactic dal fondatore Richard Branson hanno danneggiato l’immagine dell’azienda agli occhi degli investitori, portando a un prezzo azionario in picchiata nel 2023 e 2024.

È consigliabile prudenza riguardo all’azione stessa.

Allo stesso tempo, la soddisfazione dei clienti precedenti, un piano chiaro per un design redditizio (shuttle Delta) e una lunga lista d’attesa di clienti potenziali mostrano che l’azienda potrebbe ancora essere vitale anche senza raccogliere altri fondi.

Finché sarà in grado di volare lo shuttle Delta abbastanza presto. Finora, la fabbrica per costruire il Delta è finita e la costruzione dovrebbe iniziare nel primo trimestre del 2025.

Molto dipenderà dal successo nello sviluppo, produzione e funzionamento dello shuttle Delta e nel raggiungerlo prima della fine del 2025.