Le fasce di Van Allen

RISPOSTE ALLE DOMANDE DI AMERICAN MOON

• Domanda #1 - Sai spiegare perchè la NASA, nonostante tutto quello che van Allen aveva scritto sul pericolo delle radiazioni, abbia spedito i primi astronauti attraverso le fasce radioattive senza protezioni particolari, e senza prima averci mandato almeno una scimmia, allo scopo di verificare gli effetti delle radiazioni su un organismo biologico complesso come l'essere umano? 

Gli effetti delle radiazioni sull’essere umano erano conosciuti da esperimenti di laboratorio. Nelle missioni senza equipaggio Apollo 4 e 6 furono misurati i livelli di radiazioni all’interno della capsula durante il transito rapido nelle fasce e fu verificato che il rischio per gli astronauti era trascurabile. In precedenza, due cani mandati nelle fasce dai Russi erano tornati vivi e senza alcun sintomo legato alle radiazioni.

• Domanda #2 - Se fosse vero, come sostengono i debunkers, che "una missione lunare comporta radiazioni complessivamente equivalenti a una radiografia", perchè oggi la NASA definisce le fasce di Van Allen "una zona di radiazioni pericolose"?

Si fa confusione tra pericolo e rischio. Le fasce erano e rimangono pericolose (come anche un apparecchio radiografico costituisce un pericolo), ma il loro attraversamento rapido rappresenta un rischio accettabile (come quello di una radiografia).

• Domanda #3 - Se è vero, come sostiene la NASA, che 50 anni fa il viaggio sulla luna ha comportato dosi di radiazioni "trascurabili" per gli astronauti, perchè oggi la stessa NASA, parlando delle fasce di Van Allen, dichiara che "dobbiamo risolvere queste sfide prima di poter mandare delle persone in questa regione dello spazio"?

Perché oggi, per mandare astronauti oltre le fasce, la NASA non userà l’Apollo ma la nuova navicella Orion. Quest’ultima, essendo profondamente diversa, deve essere testata senza equipaggio, quindi ripresenta delle sfide che erano già state superate dai moduli Apollo.

• Domanda #4 - Come è possibile che uno dei pochissimi esseri umani che abbiano mai attraversato le fasce di Van Allen non sappia nemmeno dove si trovano, e dica di non sapere nemmeno con certezza se è andato abbastanza in alto da raggiungerle?

Le fasce non erano una preoccupazione per gli astronauti, perché rappresentavano un rischio trascurabile rispetto ai tanti altri rischi delle missioni Apollo.

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APPROFONDIMENTO - Risposte alle affermazioni di American Moon

• Le fasce di Van Allen sono fortemente radioattive.
  La strumentazione di Explorer 1 aveva lo scopo di misurare la radioattività nello spazio.

Quando le fasce furono scoperte, Ernst Ray disse: “Mio Dio, lo spazio è radioattivo!”, esclamazione che James Van Allen definì inesatta ma pittoresca^[1]. E’ infatti sbagliato parlare di radioattività, che è la caratteristica di alcuni elementi, come l’uranio, di emettere spontaneamente radiazioni. Nelle fasce di Van Allen le radiazioni, sebbene in parte simili a quelle prodotte dalle sostanze radioattive e in alcuni casi derivanti da processi tipici della radioattività (come il decadimento beta), derivano in realtà dal sole e dai raggi cosmici.

• Le fasce di Van Allen si estendono da un minimo di 1500 km dalla superficie terrestre.

Grafica tratta dal film American Moon.

Il disegno stesso smentisce questa affermazione: la fascia interna è distante 1500 km in corrispondenza dell’equatore magnetico, ma poiché segue le linee di forza del campo magnetico terrestre, si piega affondando nell’atmosfera. Una propaggine della fascia, detta Anomalia del Sud Atlantico, raggiunge la distanza minima di 200 km dalla superficie.

• Tutte le missioni spaziali con uomini a bordo, eccetto Apollo, si sono tenute sempre ben al di sotto delle fasce di Van Allen. 

Grafica tratta dal film American Moon.

È inesatto: tutte le missioni citate hanno attraversato almeno una volta una parte delle fasce, la suddetta Anomalia del Sud Atlantico.
La grafica suggerisce che tutte le missioni si siano svolte in un’orbita equatoriale, ma non è affatto così. La Stazione Spaziale Internazionale (ISS) si trova su un’orbita inclinata di 51,6° rispetto all’equatore, tra 300 e 400 km di quota, ed esegue un giro intorno alla Terra ogni 90 minuti, cioè 16 giri al giorno.
Inoltre, a causa della rotazione terrestre, ad ogni orbita la ISS sorvola un’area diversa della superficie e in un giorno copre la maggior parte della Terra, compreso il Sud Atlantico. La ISS, quindi, attraversa l’Anomalia più volte al giorno.

Tasso di dose assorbita lungo le orbite della ISS in un periodo di 8 giorni^[2]

Lo stesso vale per gli Shuttle che vi si sono attraccati in passato e per le navette Soyuz che continuano a farlo ancora oggi.
Per quanto riguarda le missioni Gemini, basti sapere che la Gemini 10 portava a bordo strumenti appositi per misurare le radiazioni nell’Anomalia.

• Nel 1959 Van Allen scriveva che “in qualche modo il corpo umano dovrà essere schermato da queste radiazioni, anche per un transito rapido attraverso la regione”. 

L’affermazione va collocata nel suo contesto: le fasce erano appena state scoperte e le conoscenze erano ancora limitate. Basandosi su dati incerti, Van Allen sovrastimò le radiazioni, calcolando un tasso massimo di dose assorbita pari a 100 rad/h nel cuore della fascia interna^[1]. Una tale intensità farebbe insorgere i primi sintomi di avvelenamento da radiazioni dopo 20 minuti di esposizione non schermata^[3], e causerebbe il 50% di mortalità con un’esposizione totale di 3 ore e mezza^[4]. Da qui la raccomandazione di schermare il corpo umano anche per un transito rapido.
Due anni dopo, Van Allen rivide al ribasso la stima, calcolando un tasso 5 volte inferiore al centro della fascia interna, dietro una schermatura di 1 g/cm² ^[5]. Ma il modulo di comando Apollo forniva una schermatura di 8 g/cm² ^[6], quindi anche questa seconda stima di Van Allen risultò esagerata.

• Nel 1961 Van Allen scriveva che “una schermatura efficace è ben lontana dalle nostre capacità ingegneristiche nel prossimo futuro”.

Di nuovo, le frase va collocata nel contesto. Van Allen non parla più di transito rapido ma di un’ipotetica stazione spaziale in orbita permanente nella fascia interna, la quale viene infatti definita “inabitabile” ^[5].

• Van Allen: “tutti i tentativi di missioni umane nello spazio devono tenersi lontani da queste due fasce di radiazioni fino a quando saranno stati sviluppati dei metodi adeguati per proteggere gli astronauti”.

Ancora fuori contesto. La frase completa è: “un essere vivente non può sopravvivere a questo livello di danno da radiazioni. Quindi tutti i tentativi di missioni umane nello spazio devono tenersi lontani…” ecc. Il livello di radiazioni, a cui Van Allen fa riferimento, è quello accumulato dalle sonde Vanguard I e Sputnik III in oltre due anni^[5]. Dunque anche in questo caso sta parlando di missioni molto più lunghe delle missioni Apollo.

• Quando venne il momento di lanciare i primi astronauti verso la Luna, il problema delle radiazioni sembrò magicamente scomparire nel nulla.

Tutt’altro. Nei dieci anni seguenti alla scoperta delle fasce di Van Allen, col progresso delle conoscenze, la loro pericolosità per i transiti rapidi fu notevolmente ridimensionata (già nel 1961 Van Allen non ne parlava più), ma ci si accorse che la vera minaccia proveniva dai brillamenti solari più forti^[7] e dalle conseguenti tempeste di protoni, dette SPE (Solar Proton Events). Un’altra minaccia presa in considerazione era l’eventuale detonazione, da parte dei Russi, di un ordigno nucleare nell’alta atmosfera, che avrebbe aggiunto nuove radiazioni alle fasce di Van Allen.

• Apollo 8 fu lanciato verso la Luna senza che venisse sviluppato alcun metodo particolare di protezione.

Non è così. Fu sviluppato un metodo di protezione di tipo strategico^[7]: per limitare la dose di radiazioni nelle fasce di Van Allen, il modulo Apollo doveva restare in orbita bassa e poi attraversare rapidamente le fasce. Per la protezione dalle tempeste di protoni, una rete di osservatori monitorava l’attività solare 24 ore su 24, mentre i dosimetri presenti nel modulo Apollo e sulle tute degli astronauti registravano continuamente le radiazioni assorbite. I dati erano inviati in tempo reale al controllo missione, che, in caso di tempesta solare, poteva prevedere con diverse ore di anticipo la dose assorbita dagli astronauti e, se troppo alta, attuare la strategia migliore per ridurla. Per esempio, se si trovavano sulla Luna, gli astronauti avrebbero dovuto decollare immediatamente e ritornare nel modulo di comando, più schermato del modulo lunare^[8].

• Apollo 8 fu lanciato senza nemmeno aver mandato prima una scimmia attraverso le fasce radioattive.

Ci avevano già pensato i Russi, che nel 1966 lanciarono la capsula Kosmos 110 con a bordo due cani, Veterok e Ugolyok^[9], allo scopo di testare gli effetti prolungati delle radiazioni delle fasce di Van Allen. I cani sopravvissero dopo un volo della durata record di quasi 22 giorni.
A parte questo, le dosi ricevute nel modulo di comando Apollo durante il transito nelle fasce erano state misurate nelle missioni senza equipaggio Apollo 4 e 6 e gli effetti delle radiazioni sul corpo umano erano conosciuti grazie agli esperimenti di laboratorio, come quello dell’“uomo di plastica” mostrato nel film stesso.
Dedicare una missione Apollo a un animale non era dunque necessario e avrebbe fatto perdere tempo prezioso nella corsa alla Luna.

• La capsula in cui viaggiavano i tre astronauti aveva solo un sottile rivestimento di alluminio e nessuna protezione specifica contro le radiazioni.

Le pareti del modulo di comando erano spesse da 8 a 18 cm ed erano formate da strati di materiali vari: alluminio, acciaio, una resina rinforzata con quarzo e uno strato isolante fibroso^[10]. La strumentazione disposta lungo le pareti contribuiva formando un ulteriore strato protettivo. Inoltre il modulo di servizio, contenente il motore e i serbatoi, proteggeva la base del modulo di comando bloccando metà delle radiazioni complessive. Sebbene non ci fosse alcuna protezione specifica contro le radiazioni, l’insieme di tutti questi elementi costituiva di fatto una schermatura capace di abbattere più del 90% delle radiazioni^[11].

• L’attraversamento delle fasce non sembra minimamente preoccupare gli astronauti.

Al contrario, durante il passaggio nella fascia esterna, gli astronauti dell'Apollo 8 eseguirono due letture dei dosimetri che avevano addosso: la prima era prevista dal piano di volo, la seconda è stata richiesta dal controllo missione (vedi trascrizione ore 004:52:40). Le letture confermarono che la dose assorbita era trascurabile, come previsto.

• Nella trasmissione da circa metà strada fra la Terra e la Luna, sembra che la cosa più interessante di cui parlare fosse il comportamento dello spazzolino da denti in assenza di gravità.

A metà strada significa a circa 200 mila km dalla Terra. Le fasce di Van Allen, come affermato nello stesso film, terminano a 40 mila km dalla Terra. In quel momento erano state superate da più di 24 ore.

• Fino al 1968 le fasce di Van Allen erano considerate molto pericolose. Poi, durante le missioni Apollo, di colpo non erano più pericolose, mentre nei tempi attuali sono tornate ad essere considerate molto pericolose.

Il fatto che 8 missioni con equipaggio abbiano attraversato le fasce di Van Allen non le trasforma automaticamente in un luogo sicuro. Si fa confusione tra pericolo e rischio: il pericolo è la possibilità di un danno, il rischio è la probabilità che quel danno avvenga. Il fuoco è un pericolo, perché è una potenziale causa di ustioni, ma è possibile spegnere una candela con le dita senza bruciarsi, a patto di essere molto rapidi, cioè minimizzando il rischio. Le fasce di Van Allen, sebbene la loro pericolosità fu ridimensionata nei primi anni dopo la loro scoperta, sono sempre state considerate pericolose, ma il loro attraversamento rapido ne riduce il rischio a livelli accettabili.

• Kelly Smith della NASA, parlando delle fasce di Van Allen, dice che “dobbiamo superare queste sfide prima di mandare delle persone in questa zona dello spazio”, nonostante siano state già brillantemente superate dalle missioni Apollo.

Le sfide, a cui Smith si riferiva, erano i test dei sistemi elettronici e della schermatura della navicella Orion nelle fasce di Van Allen. E’ vero che le stesse sfide sono state superate dalle missioni Apollo, ma Orion era un veicolo spaziale nuovo e tutti i suoi componenti dovevano essere collaudati senza uomini a bordo.
Progettare un nuovo veicolo per fare ciò che faceva già il modulo Apollo può sembrare un reinventare la ruota, ma la questione non è così semplice. Anche se si riuscissero a recuperare i vecchi progetti, per ricostruire un modulo Apollo e un razzo Saturn V bisognerebbe prima ricostruire anche gran parte dell’industria aerospaziale americana di fine anni ’60. La produzione dei veicoli spaziali coinvolgeva infatti numerose aziende appaltatrici e subappaltatrici che negli anni possono essere state chiuse, oppure aver modificato le linee produttive, aggiornato le tecniche e i materiali di costruzione e aver perso il know-how, dato che praticamente tutto il personale dell’epoca è ormai in pensione o deceduto.
L’alternativa è riprogettare Apollo, aggiornandolo agli ultimi ritrovati della tecnologia. Ma bisogna tenere presente che un veicolo spaziale è una macchina estremamente complessa, che richiede margini di errore bassissimi. Una riprogettazione genera modifiche così importanti da richiedere un nuovo collaudo senza equipaggio. Orion, a grandi linee, non è altro che un Apollo 2.0. Le similitudini sono evidenti, in quanto si basa sui moduli di comando e servizio Apollo, ma le differenze sono profonde e sostanziali: è più avanzata, più capiente ed è stata progettata per affrontare missioni di 21 giorni con 4 uomini a bordo e di 6 mesi senza equipaggio.
Il sistema di guida di Orion è stato progettato per resistere alle radiazioni, ma essendo anch’esso nuovo, doveva essere testato, ovviamente senza persone a bordo. Sebbene esistessero già sistemi "radiation-hardened" collaudati, risultavano obsoleti e con prestazioni troppo basse. Così i progettisti hanno preso i processori usati nei Boeing 787, più recenti e performanti, e li hanno modificati rendendoli resistenti alle radiazioni^[12].
Anche la schermatura della capsula, non avendo mai volato prima, doveva essere testata, e il modo migliore è quello di eseguire misurazioni “sul campo” (si possono fare delle simulazioni, ma risultano imprecise per il grande numero di variabili in gioco). La schermatura serve a proteggere sia la strumentazione che gli esseri umani, quindi è importante assicurarsi della sua capacità protettiva, soprattutto perché, nelle missioni di lunga durata per cui è stata progettata Orion, aumenta il rischio di imbattersi in una tempesta solare. Invece, il rischio delle fasce di Van Allen, seguendo una tipica traiettoria ad attraversamento rapido, è lo stesso dell’epoca Apollo, a parità di schermatura.

• Alan Bean è uno dei pochissimi essere umani ad aver attraversato le fasce di Van Allen, eppure non è sicuro di averle mai raggiunte e non sa nemmeno dove si trovino.

Le fasce di Van Allen non fanno parte della formazione di Bean, che è ingegnere aeronautico, per cui è plausibile che non sappia o non ricordi dove si trovano dopo 35 anni dalla missione. Le fasce non si vedono né si avvertono in alcun modo, se attraversate rapidamente. Inoltre non erano affatto una novità: Apollo 12, di cui Bean faceva parte, fu la quarta missione a oltrepassare le fasce. Prima di lui, altri nove uomini le avevano attraversate, due volte ciascuno, senza riportare alcun sintomo collegabile a esse.
La scarsa attenzione di Bean per le fasce di Van Allen dimostra che esse rappresentavano uno dei rischi più marginali delle missioni Apollo, tanto da non costituire preoccupazione per gli astronauti.

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1. J. Van Allen, Radiation Belts around the Earth, Scientific American, March 1959
2.  R. Gaza et al., Space Radiation Crew Protection and Operations for Exploration Missions, 2017
3. Acute Radiation Syndrome: A Fact Sheet for Clinicians, CDC, 2018
4. Death by haematopoietic syndrome of radiation sickness- influence of dose rate
5. J. Van Allen, The Danger Zone, Space World, 1961
6. T. Phillips, Sickening Solar Flares, 2005
7. J.L. Modisette et al., Radiation Plan for the Apollo Lunar Mission, 1969
8. R.H. Hilberg, Radiation Protection for Apollo Missions, 1969, p. 4 
9. T. Gray, A Brief History of Animals in Space, 1998 
10. J.E. Pavlosky & L.G. St. Leger, Apollo Experience Report - Thermal Protection Subsystem, 1974, p. 5 
11. E. Seedhouse, Space Radiation and Astronaut Safety, Ch. 6: Shielding, 2018
12. S. Cole, Orion spacecraft's avionics designed for reliability in deep space