Sarà possibile in futuro realizzare grandi e complesse missioni spaziali dedicate alla scienza di base come HST, Chandra e JWST? O il loro costo sarà troppo elevato? Lo scenario spaziale di oggi è completamente diverso da quello di cinque anni fa, e certamente da quello di quando HST, Chandra e JWST sono stati concepiti e costruiti. Gli investimenti nel settore spaziale sono cresciuti in modo esponenziale negli ultimi anni, con investimenti monetari che supereranno il mezzo trilione di dollari nel 2023. Questo boom è in gran parte dovuto all’ascesa della cosiddetta “new space” economy, guidata da finanziamenti commerciali privati, che per la prima volta lo scorso anno hanno superato gli investimenti pubblici nello spazio. L’introduzione di una logica di mercato nelle attività spaziali si traduce in una maggiore concorrenza e in una conseguente drastica riduzione dei costi e dei tempi. Può la scienza spaziale sfruttare i vantaggi della nuova space economy per ridurre i costi e i tempi di sviluppo e allo stesso tempo riuscire a produrre potenti missioni di scienza di base? Questo obiettivo sarebbe raggiungibile se la comunità scientifica riuscisse a sfruttare i tre pilastri alla base dell’innovazione della new space economy: (1) l’innovazione tecnologica, che procede sia attraverso l’innovazione incrementale sia attraverso l’innovazione disruptive, (2) l’innovazione commerciale, attraverso l’integrazione verticale, la produzione su scala e il modello di business orientato ai servizi, e (3) l’innovazione culturale, attraverso l’apertura al rischio e lo sviluppo iterativo.
Tutti questi argomenti sono decisamente controversi e forse proprio per questo a me e al mio amico Martin Elvis e’ venuta voglia di rifletterci sopra, documentarci e cercare delle proposte. Ne e’ venuto fuori un articolo che potete trovare su http://arxiv.org/abs/2502.20922. Qui di seguito un piccolo sunto.
Negli ultimi 10 anni, nello stesso intervallo di tempo in cui è stato lanciato JWST e sono state concepite nuove ambiziose missioni scientifiche spaziali come l’Habitable World Observatory e la missione Mars Sample Return, è emersa prepotentemente la cosiddetta “new space economy”, guidata da finanziamenti privati. L’introduzione di una logica di mercato nelle attività spaziali ha portato a una drastica riduzione dei costi e dei tempi.
La new space economy è stata stimolata dai partenariati pubblico-privati negli anni 2000, grazie alle iniziative della NASA, che ha sperimentato radicali cambiamenti di rotta, come l’acquisto di servizi da aziende private con contratti a prezzo fisso, invece di sviluppare programmi guidati dalla NASA stessa e appaltati all’industria per l’esecuzione con contratti cost-plus (ad esempio i programmi Commercial Orbital Transportation Services, COTS, e Commercial Lunar Payload Services, CLIPS).
Negli ultimi anni, lo stesso approccio è stato seguito dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. Ad esempio, il National Reconnaissance Office sta sfruttando la catena di assemblaggio Starlink di SpaceX per costruire una rete di satelliti spia in tempi brevissimi e a prezzi contenuti, lo Starshield (https://arstechnica.com/space/2024/04/spacex-working-with-northrop-grumman-on-spy-satellites-for-us-government/). Aziende private come K2 Space sfruttano l’integrazione verticale e la produzione su scala per offrire satelliti per carichi utili di 3 metri per 3 metri a meno di 15 milioni di dollari per satellite, con tempi di consegna di pochi mesi (https://techcrunch.com/2024/12/19/k2-space-will-fly-its-extra-large-satellite-for-the-first-time-in-2026/). Gli scienziati potrebbero sfruttare questo cambiamento di paradigma per realizzare missioni ambiziose a un costo 10 volte o più inferiore a quello delle attuali grandi missioni della NASA e dell’ESA. Lavorare su due questioni principali può favorire questo cambiamento di paradigma:
(1) ampliare la base di finanziamento. Fino ad ora la stragrande maggioranza delle missioni scientifiche e’ stata pagata con fondi governativi attraverso grandi agenzie spaziali come NASA ed ESA.
La figura che segue mostra l’evoluzione dei bilanci della NASA e dell’ESA dal 2000. Il budget della NASA per la scienza, che comprende l’esplorazione del sistema solare, l’esplorazione di Marte, l’astrofisica e l’osservazione della Terra, è variato tra il 25 e il 35% del totale tra il 2000 e il 2025. Il budget dell’ESA per la scienza è diminuito da circa il 15% del totale nel 2006-2008 all’8,5% nel 2020-2025. Questo non include l’osservazione della Terra, che nel sistema ESA comprende sia la scienza che l’applicazione (il programma Copernicus). La figura mostra anche i bilanci scientifici della NASA e dell’ESA in valori assoluti, corretti in base all’inflazione al 2023. Si possono notare i picchi nel bilancio della NASA intorno al 2003-2006 e al 2018-2022. Il secondo è dovuto principalmente alla spesa per JWST. Il primo è dovuto alla spesa per diverse missioni, tra cui Messenger, MRO, New Horizon, Dawn, Stereo e Fermi, testimoniando un periodo di grande diversificazione nelle missioni scientifiche della NASA. Il budget scientifico dell’ESA è rimasto notevolmente costante intorno a un valore di 600-700 milioni di dollari (2023) all’anno per circa 25 anni (il budget del 2003 è stato aumentato di circa 100 milioni di euro per tener conto dello stop dell’Ariane 5, che ha posticipato il lancio di Rosetta). Il budget dell’ESA per l’osservazione della Terra è aumentato costantemente dal 2008 al 2025, passando da 500 milioni di dollari (2023) a 2700 milioni di dollari (2023), grazie all’investimento della Commissione europea nel programma Copernicus.


Il costo delle missioni scientifiche tradizionali e’ guidato da diversi fattori che includono:
- Spingere i requisiti scientifici all’estremo
- Minimizzare volume e peso a causa del costo del lancio
- Uso di componenti e sistemi qualificati per lo spazio
- Failure is not an option, cioe’ rischiare il meno possibile a causa dei costi alti, introducendo grande numero di controlli di qualita’ che aumentano di nuovo i costi
- Un quasi monopolio delle grandi aziende che lavorano per lo spazio
L’elevato costo delle missioni spaziali standard dovrebbe essere bilanciato da un elevato ritorno scientifico. Non è facile fornire una misura quantitativa e imparziale del ritorno scientifico di una missione. Una metrica standard per la produttività scientifica è il numero di articoli pubblicati basati sui dati prodotti da una determinata missione, mentre una metrica standard per valutare l’impatto è il numero di citazioni ricevute da questi articoli. Queste metriche hanno il vantaggio di essere relativamente facili da ottenere, ma presentano importanti limitazioni. Le figure che seguono mostrano la produttivita’ e l’impatto di diverse missioni spaziali recenti in funzione della loro massa e del loro costo. La produttività è parametrata come il numero di pubblicazioni per anno dall’inizio dell’operazione (YSO) per M$ di costo totale (bus, payload, lancio), mentre l’impatto è parameterizzato come il Research Impact Quotient (Riq, vedi A. Pepe, M. J. Kurtz, 2012, PLoS ONE 7, 11) diviso per la radice quadrata del costo totale in M$.


Le missioni ottengono punteggi simili nelle due metriche. In base a queste misure, le missioni scientifiche medio-piccole, soprattutto le missioni Explorer della NASA, tendono ad avere una produttività e un impatto migliori per M\$ rispetto alle grandi missioni ammiraglie. Il maggior numero di pubblicazioni e citazioni delle missioni faro non compensa completamente il loro costo molto più elevato. Tra le missioni con costi superiori a circa 1 M$, Gaia si distingue sia per la produttività che per l’impatto, come menzionato anche nella sezione 1. I cubesat possono raggiungere sia il massimo che il minimo della produttività e dell’impatto. Possono avere un successo incredibile ma anche un completo fallimento, e rappresentano bene il concetto di alto rischio/alto guadagno alla base dell’approccio della nuova economia spaziale, enfatizzando il valore di una linea di produzione. Naturalmente, le semplici metriche non possono raccontare l’intera storia. Le missioni grandi e ambiziose hanno maggiori probabilità di produrre risultati trasformativi rispetto alle missioni piccole e limitate. In tutti i casi, il messaggio e’ che sarebbe forse utile applicare l’approccio high-risk/high-gain usato per i cubesat, ma anche per le missioni Explorer NASA a missioni piu’ grandi.
Oltre ai fondi governativi, gli scienziati possono finanziare i loro progetti attraverso fondazioni filantropiche, oppure attraverso partenariati pubblico-privati e investitori privati. La conoscenza è una risorsa spaziale fondamentale, ed è proprio quella che i ricercatori di scienze di base sono in grado di sfruttare al meglio. Position, Navigation, Timing (PNT), il più grande business della space economy di oggi e di domani, che muove centinaia di miliardi di dollari, sono notoriamente impossibili senza le correzioni della relatività generale. Paradossalmente, Albert Einsten (l’inventore della relatività generale più di 100 anni fa) e i suoi eredi non hanno guadagnato un solo dollaro da questa invenzione. Più rilevante per il nuovo spazio è la storia di Riccardo Giacconi, premio Nobel 2002 per la scoperta delle sorgenti cosmiche di raggi X e del fondo cosmico a raggi X. Quando Giacconi si unì a Bruno Rossi al MIT nel 1959 come giovane ricercatore, fu assunto dall’American Science and Engineering (AS&E), una società fondata l’anno prima da Martin Annis e di cui Bruno Rossi era presidente del consiglio di amministrazione. AS&E lavorava su contratti della NASA, ma era anche molto attiva sul mercato. Svilupparono il primo body scanner, poi adottato negli aeroporti di tutto il mondo. Il denaro guadagnato sul mercato permise ad AS&E di permettere a Rossi e Giacconi di sviluppare le strategie e la e strumentazione che hanno portato alla creazione dell’astronomia a raggi X e a una serie di missioni leader a livello mondiale: Uhuru, Einstein Observatory e Chandra. Questo è uno dei tanti scenari possibili che potrebbero collegare scienza e impresa. Oggi la nuova economia spaziale offre probabilmente più opportunità che ai tempi di Rossi e Giacconi. Due grandi aree sembrano oggi particolarmente promettenti e meritano di essere menzionate: le tecnologie quantistiche e la ricerca di risorse sulla Luna, su Marte e sugli asteroidi.
(2) la capacità degli scienziati di tenere il passo con le innovazioni della new space economy. L’innovazione tecnologica procede attraverso fasi alterne di sviluppo incrementale e disruptive. Le imprese innovano attraverso l’integrazione verticale e la produzione su scala, ma anche attraverso un modello di business orientato ai servizi e una cultura dell’innovazione che si manifesta come apertura al rischio e sviluppo iterativo. Giacconi ci viene ancora una volta in aiuto per spiegare questi concetti. Subito dopo la scoperta del fondo cosmico di raggi X, apparentemente uniforme, nel 1962 Giacconi capì che per rilevare le sorgenti responsabili di questo fondo cosmico era necessaria una qualità di immagine dell’ordine di un arcsecondo nei raggi X, diverse migliaia di volte migliore di quella allora disponibile. A quei tempi era difficile, se non impossibile, convincere la NASA a intraprendere direttamente un progetto per sviluppare e lanciare un osservatorio a raggi X con capacità di un arcsecondo. Giacconi immagino’ invece un programma iterativo, volto a consolidare il campo e ad arrivare al telescopio con capacita’ dell’arcsecondo (Chandra) attraverso delle fasi: Uhuru prima, per fornire la prima indagine all-sky di sorgenti luminose di raggi X all’inizio degli anni ’70, Einstein Observatory, per dimostrare nello spazio le capacità delle ottiche a raggi X, e infine l’Advanced X-ray Astrophysics Facility, AXAF, ribattezzato Chandra dopo il lancio nel 1999. La new space economy offre l’opportunità di eseguire programmi di approccio iterativo di questo tipo su tempi molto più brevi e a costi molto inferiori.