Nel vuoto il calore non si può trasferire per convezione, ma solo per irraggiamento. Di per sé l’irraggiamento può produrre effetti spettacolari: è il modo in cui il Sole ci scalda e permette la vita sulla Terra o anche, più banalmente, è il fenomeno dominante nella cottura alla brace. Ma in questi casi la sorgente di calore ha una temperatura molto alta: diverse centinaia di gradi nel caso della brace, alcune migliaia in quello del Sole.
Nei corpi che si trovano a temperatura ambiente, come la carrozzeria di un satellite, l’irraggiamento diventa enormemente meno efficiente, per una questione matematica che non approfondiamo qui.
Ma le conseguenze sono drammatiche. Per fare un paragone, il radiatore di un’automobile può scaricare all’esterno, con l’aiuto dell’aria, più o meno 100 kilowatt al metro quadro. Il radiatore di un satellite può scaricare al massimo 350 watt al metro quadro, qualcosa come 300 volte in meno.
Per smaltire la potenza di un’automobile di media cilindrata, il radiatore di un satellite dovrebbe essere grande come un appartamento.
D’altra parte anche la potenza disponibile sui satelliti è molto più bassa di quella dei veicoli terrestri: i pannelli solari della Stazione Spaziale Internazionale, il più grande satellite mai costruito, generano al massimo 200 kW di potenza elettrica o poco più, grosso modo come il modello più economico di automobile Tesla.
Un singolo satellite di media potenza deve svolgere tutte le sue funzioni avendo a disposizione circa un kilowatt, la potenza di una lavatrice.
In compenso, nel vuoto non bisogna superare la resistenza dell’aria e per spostarsi basta molta meno energia che sulla Terra. I motori dei satelliti servono soltanto a fare correzioni di orbita, a mantenere l’orientamento corretto nello spazio e, se sono in orbita bassa, a contrastare il poco attrito atmosferico che rimane a quella quota.
In questi casi si usano motori con una spinta da poche decine di newton, paragonabile al peso di qualche bottiglia d’acqua. Se invece il satellite deve arrivare autonomamente all’orbita finale, può avere un motore di apogeo da qualche centinaio di newton, cioè un migliaio di volte meno di un Boeing 777.
Un altro problema tipico del vuoto è il rilascio delle sostanze intrappolate nei materiali, che possono sporcare i sensori e le lenti dei telescopi. Per questo motivo si tende a evitare alcuni materiali particolarmente soggetti a questo fenomeno, come cadmio e zinco.
Poiché i satelliti si trovano fuori dall’atmosfera, inoltre, sono esposti alle radiazioni provenienti dal Sole o da altre galassie, che possono danneggiare i circuiti elettronici, i sensori ottici e le protezioni termiche.
Questo problema viene affrontato con diverse tecniche in contemporanea: si introducono schermature fisiche; si usano componenti appositamente progettati per essere particolarmente resistenti alle radiazioni; si usa la “ridondanza”, cioè si costruiscono due o più unità con la stessa funzione, in modo che se una di esse subisce un errore indotto dalla radiazione, le altre unità possano correggere il dato errato; infine si interviene a livello software per rilevare e correggere gli errori.
Infine, un fenomeno poco noto provocato dall’esposizione al vuoto è il “cold welding”, la tendenza di due superfici pulite di metalli simili a saldarsi spontaneamente una volta a contatto nel vuoto. Il fisico Richard Feynman spiegava scherzosamento questo fenomeno dicendo che quando gli atomi dei due pezzi metallici sono a contatto senza essere separati da strati di ossidi o grassi, “non sanno” di appartenere a pezzi diversi e quindi si uniscono.
andrea_ferrero