Civiltà dello Spazio / Una lezione di Ignazio Musu

03 maggio 2022

Cambiamento climatico ed economia dello spazio sostenibile

Una economia dello spazio sostenibile

Lo spazio può essere infinito, ma la parte dello spazio intorno alla Terra utilizzabile per attività che forniscono benefici economici agli esseri umani è limitato; ha una altezza di circa duemila chilomentri (Low Earth Orbit, LEO). 
L’utilizzo di questo pur limitato spazio è andato notevolmente crescendo negli ultimi anni per le attività economiche non solo dei governi, e non solo militari, ma sempre di più da parte di privati.
Questo è stato possibile grazie agli sviluppi delle tecnologie digitali e delle applicazioni dell’intelligenza artificiale che stanno sempre più caratterizzando lo sviluppo delle diverse economie.

Fig.1. Quote del Prodotto Interno Lordo dedicate alle attività nello spazio per paesi (Fonte OCSE).

Secondo la Commissione delle Nazioni Unite sugli Usi Pacifici dello Spazio (Committee on the Peaceful Uses of Outer Space, COPUOS), la sostenibilità dello spazio viene definita come la capacità di mantenere attività nello spazio in un futuro indefinito in modo che: a) venga garantito un equo accesso ai benefici dell’esplorazione spaziale per scopi pacifici; b) il venire incontro ai bisogni della generazione presente non comprometta l’utilizzo dello spazio per le generazioni future.
Il Trattato sullo Spazio Extra-atmosferico (sottoscritto nel 1967 da Stati Uniti, Regno Unito e Unione Sovietica e al quale oggi aderiscono più di cento governi) stabilisce la libertà di esplorazione e di utilizzo dello spazio a beneficio di tutti i paesi, senza però appropriarsene.
Questo significa che le orbite terrestri e lo spettro elettromagnetico sono considerati «risorse a proprietà comune».
Definire lo spazio come risorsa a proprietà comune implica che si tratta di una risorsa che ha due caratteristiche.
La prima caratteristica è la «non escludibilità», che significa che nessun utilizzatore può stabilire un controllo esclusivo sulla risorsa.
La seconda caratteristica è la «rivalità», che significa che l’utilizzo dello spazio a parte di un agente sottrae lo spazio utilizzabile da altri agenti.
Gli economisti hanno ampiamente dimostrato, sia a livello teorico sia a livello empirico, che per la gestione delle risorse a proprietà comune i meccanismi di mercato sono altamente imperfetti, quando non completamente assenti.
Sono quindi necessarie regole e istituzioni comuni per garantire un uso sostenibile dello spazio come risorsa a proprietà comune.

Minacce alla sostenibilità dello spazio: satelliti e detriti

Un esempio importante dell’uso economico dello spazio da parte dell’uomo sono le migliaia di satelliti che orbitano intorno alla Terra.
Questi satelliti forniscono benefici economici, sociali, strategici e scientifici non solo a intere nazioni, ma anche a milioni, se non miliardi, di singoli individui in tutto il mondo.
L’aumento dei satelliti lanciati nello spazio è inequivocabile.
Nel 1970 il 65% dei satelliti in orbita erano militari, il 30% erano stati lanciati dai governi per scopi civili, il 5% erano satelliti per usi commerciali.
Nel 2010 la percentuale di satelliti militari era ridotta al 20%, sono rimasti al 30% quelli lanciati dai governi per scopi civili, i satelliti per usi commerciali sono saliti al 30%; il 20% sono per usi privati amatoriali o per ricerca.

Fig. 2. Numero di paesi con satelliti in orbita (Fonte:OCSE)


Fig. 3. Numero di utilizzi dei satelliti nel mondo per cento abitanti (Fonte OCSE)

Fig.4. Numero di utilizzi dei satelliti per cento abitanti nelle aree del mondo (Secure World Foundation)

Gli sviluppi delle tecnologie digitali e delle applicazioni dell’intelligenza artificiale hanno reso possibile, a costi sempre più bassi e con rendimenti attesi sempre più elevati, il lancio di satelliti di dimensioni sempre più piccole («cubesats»).
Questi piccoli satelliti sono utilizzati per attività di telecomunicazione e per potenziare le iniziative commerciali.
Le previsioni sono che il numero di questi satelliti potrà raddoppiare se non triplicare nei prossimi cinque anni.
Una minaccia alla sostenibilità dello spazio è costituita dall’utilizzo dello spettro elettromagnetico nelle comunicazioni tra oggetti nello spazio e tra lo spazio e la Terra.
Ci sono preoccupazioni crescenti per le interferenze tra le reti e le orbite sempre più congestionate degli oggetti nello spazio, determinate dallo sviluppo di tecnologie sempre più avanzate di telecomunicazione.
Ma la minaccia più seria alla sostenibilità dello spazio è l’accumulazione  crescente di detriti rilasciati nelle orbite spaziali intorno alla Terra.
Questa minaccia si collega ovviamente al numero sempre crescente di oggetti che vengono lanciati nello spazio.

Fig. 5. Numero mensile di oggetti che orbitano intorno alla Terra (Fonte OCSE)

 

Le migliaia di satelliti che sono in orbita nella Low Earth Orbit condividono le loro orbite con più di 20.000 pezzi di rifiuti spaziali di lunghezza superiore a 10 cm., con un peso complessivo di circa 10.000 tonnellate.
Si tratta di pezzi di missili, pezzi di satelliti non più in esercizio, oggetti e frammenti non identificati, che viaggiano a una velocità di molti km. al secondo e possono collidere portando alla distruzione dei satelliti in operatività.
Questo senza tener conto del quasi un milione di frammenti tra 1 e 10 cm.; e del più di cento milioni di frammenti inferiori a 1 cm.

Fig. 6. Satelliti e detriti nell’orbita terrestre in vari anni (Fonte: Secure World Foundation) 
 

Le previsioni sono che la quantità di detriti aumenterà di 1,5 volte per i detriti di lunghezza superiore ai 20 cm., di 3 volte per quelli tra i 10 e i 10 cm., e fino a 30 volte per quelli inferiori a 10 cm..
Nel 2007, un satellite cinese colpito da un missile ha creato circa 3 mila pezzi di detriti più grandi di 10 cm. e intorno a 15 mila pezzi più piccoli che hanno continuato a rimanere in orbita tra 300 e 2000 km. di altezza. 
Nel 2009 una collisione tra due satelliti americani ha creato 2000 detriti in orbita a 800 km. di altezza.
Il problema dei detriti in orbita è un tipico problema globale che richiede la collaborazione tra le varie nazioni per garantire la sostenibilità dell’economia dello spazio.

Iniziative internazionali per una economia dello spazio sostenibile

La comunità internazionale ha cominciato a occuparsi del problema della contaminazione dello spazio alla metà degli anni 1950 con lo United Nations Committee on the Peaceful Uses of Outer Space (COPUOS).
Nel 1958 l’organizzazione non governativa International Council for Scientific Unions (ICSU) ha promosso il Committee on Space Research (COSPAR).
Nel 1963 l’Assemblea Generale delle Nazioni Unite ha adottato l’Outer Space Treaty nel quale le parti si impegnano a evitare una contaminazione dannosa dello spazio e dei corpi celesti.
Da questo trattato, nel 1972, è scaturita la Convenzione sulle responsabilità per i danni causati da oggetti nello spazio nota come Space Liability Convention.
Recentemente è stato lanciato lo Space Sustainability Rating (SSR) che si occupa di sostenibilità della economia dello spazio, da World Economic Forum, dalla European Space Agency (ESA), dal Massachussetts Institute of Technology (MIT), con il supporto dell’Università del Texas a Austin e della società Bryce Tech; un centro dell’Istituto di Tecnologia di Losanna (EPFL) dovrà guidarne la realizzazione.  
Il compito dello SSR è quello di valutare la sostenibilità delle iniziative degli operatori nello spazio intorno alla Terra utilizzando le tecnologie più avanzate e proporre gli incentivi più adatti per tale sostenibilità, anche mediante la costruzione di standard appropriati.
Una collaborazione internazionale è urgente e necessaria per affrontare il problema della eliminazione dei detriti spaziali; gli scienziati hanno elaborato molte tecniche a questo fine.
Sono stati proposti meccanismi di cattura (come reti, bracci e tentacoli robotici), o di rimozione (come cavi elettrodinamici che rallentano la velocità e riportano l’orbita dell’oggetto sempre più vicino alla Terra facilitandone la distruzione), o di distruzione diretta (ad esempio, mediante raggi laser inviati da piccole stazioncine spaziali).
L’utilizzo delle applicazioni dell’intelligenza artificiale, come il “deep learining”, aiutano a stimare le posizioni dei detriti da rimuovere; cosa molto importante visto che vi sono detriti che viaggiano nello spazio senza essere visti.
L'Agenzia Spaziale Europea ha lanciato un progetto di quasi 90 milioni di euro, ClearSpace, che prevede il lancio della prima missione operativa per il 2025. 
Uno dei problemi istituzionali e non tecnici per la rimozione dei detriti spaziali è che essi debbono essere considerati un “male pubblico” altrimenti gli Stati di immatricolazione dell’oggetto che origina il detrito potrebbero rivendicarne la proprietà e rallentare o impedire azioni internazionali di rimozione o distruzione.
Questo ci riporta alla necessità di riconoscere lo spazio come risorsa comune, riconoscimento dal quale potrebbe partire una iniziativa per un accordo internazionale per la rimozione attiva dei detriti.

Economia dello spazio sostenibile e cambiamento climatico

Lo spazio intorno alla Terra è coinvolto dalla più importante sfida globale del nostro tempo: il cambiamento climatico.
Il cambiamento climatico dipende dal riscaldamento globale.
Il riscaldamento globale è causato dal fatto che parte dai raggi solari (ultravioletti) che arrivano sulla Terra e che sono riflessi come raggi infrarossi, viene assorbita da gas chiamati “gas serra” (CO2, CH4, N20, CTCs, vapore acqueo). 
La correlazione tra il principale tra i gas serra, l’anidride carbonica (CO2) e l’aumento della temperatura globale è evidente dalla fig.7.

Fig.7. Aumento della temperatura globale e concentrazione di CO2

La concentrazione crescente di CO2 nell’atmosfera dipende dalle emissioni crescenti di CO2 le quali a loro volta dipendono dalla crescita economica (Fig.8).

Fig. 8. Connessione tra crescita economica e emissioni di CO2.

Effetti del riscaldamento globale sono l’innalzamento del livello dei mari, l’acidificazione degli oceani (con impatto sulle specie marine e distruzione delle barriere coralline); ma l’effetto più importante è il cambiamento climatico che implica: intensificazione, maggiore frequenza e pericolosità di fenomeni radicalmente opposti come siccità e tempeste; impatti negativi su agricoltura e alimentazione; impatti negativi sulla salute; perdita di biodiversità.
Secondo l’Intergovernmental Panel for Climate Change (IPCC), per evitare danni troppo gravi del cambiamento climatico il riscaldamento globale dovrebbe assestarsi su 1,5°C o al massimo 2°C rispetto al 1900.
Per ottenere un aumento del riscaldamento globale limitato a 1,5°C rispetto al 1900, le emissioni nette di CO2 dovrebbero dimezzarsi entro il 2030 rispetto al livello raggiunto nel 2010, fino a annullarsi (Net Zero Emissions, NZE) intorno al 2050. 
Se invece ci si accontentasse di raggiungere l’obiettivo di un riscaldamento globale di 2°C, le emissioni nette di CO2 dovrebbero ridursi di un quarto entro il 2030 e annullarsi (NZE) entro il 2070.
  
Impatto dell’utilizzo economico dello spazio sul riscaldamento globale e il cambiamento climatico

Un forte contributo alle emissioni di CO2 deriva dall’aviazione, anche se (come dimostra la Fig.9) la quota delle emissioni dall’aviazione come quota delle emissioni globale non è aumentata di altrettanto.

Fig.9. Emissioni globali di CO2 dall’aviazione.

C’è oggi molta attenzione all’impatto sul cambiamento climatico dell’industria del turismo spaziale che sembra essere una attività economica ricca di prospettive per il futuro. 
Le più famose imprese protagoniste di questo settore sono: Blue Origin del fondatore di Amazon, Jeff Bezos;  SpaceX di Elon Mask, noto per i veicoli elettrici di Tesla; Virgin Galactic dell’imprenditore britannico Nicholas Branson.
Ma ve ne sono altre, come le americane Space Adventures e Axiom Space, e la agenzia spaziale russa RKA (Roscosmos).
Queste imprese offrono viaggi spaziali a coloro che potranno permettersi di pagarseli.
I costi infatti sono, per ora, altissimi; ad esempio, la Virgin Galactic, per il volo di Richard Branson con altre cinque persone fino al confine dell’atmosfera terrestre, aveva messo un prezzo per il biglietto di € 250 mila; adesso è salito a € 450 mila.
Una struttura fondamentale per lo sviluppo dei viaggi di turismo spaziale è la Stazione Spaziale Internazionale (ISS, ossia International Space Station) dedicata alla ricerca scientifica d gestita come progetto congiunto da cinque agenzie spaziali: l’americana NASA (National Areonautics and Space Administration), l’europea ESA (European Space Agency), la canadese CSA-ASC (Canadian Space Agency-Agence Spatiale Canadienne), la giapponese JAXA  (Japan Aerospace Exploration Agency) e, finora, prima delle sanzioni determinate dalla guerra in Ucraina, la russa RKA (Roscosmos). 
Vi sono stati di recente molti esempi di lanci all’interno di progetti per lo sviluppo del turismo spaziale; ma se queste iniziative commerciali continueranno a svilupparsi e avranno successo gli impatti in termini di emissioni di gas serra potrebbero essere devastanti. 
Secondo l’American Geophysical Union, 400 voli spaziali all’anno per 40 anni (l’obiettivo annunciato da Virgin Galactic) genererebbero emissioni di gas serra tali da causare un aumento di 1°C della temperatura media globale. 
In media si stima che i missili per i viaggi spaziali emettano in media cento volte più anidride carbonica per passeggero dei viaggi aerei commerciali e da quattro a dieci volte più ossido di azoto.
Le emissioni avvengono a livelli particolarmente elevati dell’atmosfera dove i gas serra possono rimanere più a lungo.
Gli impatti sul cambiamento climatico dipendono e dipenderanno dai combustibili usati e dall’altezza alla quale i missili usati per il lancio arriveranno.
Ad esempio, impatti particolarmente negativi sembrano derivare da Space X di Mask e Virgin Galactic di Branson per l’emissione di particelle di nero di carbone (black carbon) che assorbono radiazioni solari e radiazioni infrarosse (emesse dalla superficie terrestre) e quindi, sospese in atmosfera, con un potenziale di riscaldamento globale molto elevato. 
Sembrerebbe invece che il combustibile usato da Blue Origin di Bezos siano ossigeno liquido e idrogeno con il risultato che dalla combustione per muovere il lanciatore suborbitale New Shepard comporterebbero emissioni di vapore acqueo, che non comporta emissioni di carbonio, ma che contribuisce al riscaldamento delle parti più elevate dell’atmosfera dove le nuvole sono più rare. 
Comunque, tutti i viaggi di turismo spaziale genereranno ossido di azoto, molto più potente dell’anidride carbonica nel riscaldamento globale. 

Tecnologie spaziali e riduzione del cambiamento climatico

Lo sviluppo dell’economia dello spazio può avere anche importanti effetti positivi per controllare il cambiamento climatico.
Gran parte delle variabili in grado di agire sul cambiamento climatico dipendono infatti da informazioni satellitari.
Si tratta delle dinamiche e la distribuzione territoriale delle temperature; delle previsioni metereologiche dovute ai satelliti che hanno effetti importanti sull’agricoltura e le energie rinnovabili; della dinamica del livello del mare, dell’intensità dell’acidificazione degli oceani, dell’evoluzione dei ghiacci marini e montani.
Alcuni interventi tecnologici per la riduzione del cambiamento climatico agiscono nello spazio; tra questi importante è la geoingegneria basata sullo spazio, che consiste nell’inviare nello spazio nuvole di oggetti orbitanti intorno alla Terra che possono bloccare la luce del sole o rifletterla dal pianeta.
L’esempio più importante è il lancio nella stratosfera di particelle artificiali che abbiano un effetto analogo a quello dei solfuri emessi dalle eruzioni vulcaniche.
Durante l’eruzione del 1992 il vulcano Pinatubo nelle Filippine ha emesso una quantità significativa (più di 15 milioni di tonnellate) di aerosol di acido solforico (che assorbe e riflette la radiazione solare) e cenere vulcanica nella stratosfera.
Si stima che questo abbia provocato una diminuzione media della temperatura a terra tra 0,5 e 0,6 °C nell'emisfero e 0,4 °C su tutto il globo; allo stesso tempo, però sono aumentate le temperature nella stratosfera a causa dell'assorbimento della radiazione solare da parte degli aerosol.
Bisogna però ricordare che l’eruzione ha avuto anche un effetto negativo aumentando la distruzione dello strato di ozono nella stratosfera che protegge dagli effetti dannosi per l’uomo e gli ecosistemi delle radiazioni ultraviolette; questo è un problema anche per la geoingegneria
Il limite principale della geoingegneria solare è che essa agisce sugli effetti negativi delle eccessive emissioni di gas serra, non sulla riduzione delle emissioni, che sono la causa antropogenica del riscaldamento globale e del cambiamento climatico.
Quini, anche se la geoingegneria, pur comportando costi elevati, sembra essere meno costosa delle strategie di riduzione delle emissioni di carbonio, questo non deve portare alla conclusione di considerarla come una alternativa alle politiche per la riduzione delle emissioni, perché senza queste politiche i costi della geoingegneria sarebbero maggiori e crescenti e la sua efficacia minore.
La possibilità di ricorrere alla geoingegneria non deve quindi costituire una occasione per evitare le politiche di decarbonizzazione, ma come una integrazione con quelle politiche.

Approfondimenti bibliografici.
Anita Gibson, Better Policies for Better Lives, OECD Space Forum, Directorate for Science, Technology and Information, April 1914.
William Nordhaus, The spirit of Green, Princeton University Press, 2021.
OECD, Space Sustainability. The Economics of Space Debris in Perspective, Science, Technology and Industry Policy Papers, n.87, April 2020.
OECD, Space Economy for people, planet and prosperity, Paper for the G20 Space Economy Leaders’ Meeting, Rome, Italy, 20-21 September 2021.
M. Palmroth e altri, Towards Sustainable Use of Space: Economic, Technological and Legal Perspectives, Space Policy, Elsevier, May 2021.
Teresa Pultarova, The rise of space tourism could affect Earth's climate in unforeseen ways, Space.com, July 26, 2021. 
Jesse I. Reynolds J., Solar Geoengineering to reduce Climate Change, The Royal Society Journal, London, April 2019.
Secure World Foundation, Space Sustainability. A Practical Guide, 2018.
Gernot Wagner, Geoengineering. The Gamble, Polity Press, Cambridge, UK, 2021.
World Economic Forum, Bringing Space down to Earth, World Economic Forum Annual Meeting, January 2014.