di Giacinto Gianfiglio, già Mission and System Manager (e vice capo) programma ExoMars, Agenzia Spaziale Europea (ESA)
Proseguiamo il nostro viaggio nello “Spazio Europeo” con una affascinante missione scientifica dell’ESA: la missione CLUSTER.
CLUSTER, una “costellazione” di quattro satelliti che hanno volato in formazione tetraedrica in orbita attorno alla Terra, è stato un vero laboratorio tridimensionale nello spazio, progettato per studiare uno dei fenomeni più delicati e cruciali per la nostra vita quotidiana: l’interazione tra il vento solare e il campo magnetico terrestre.
Questo tema può apparire lontano dalla nostra quotidianità, ma in realtà ci riguarda molto da vicino. In una società ad alta tecnologia come la nostra, infatti, è fondamentale comprendere e monitorare le dinamiche che regolano questa interazione e le tempeste geomagnetiche che ne derivano, perché molte delle infrastrutture e delle tecnologie sviluppate negli ultimi decenni si basano su fenomeni fisici che possono essere significativamente influenzati dal vento solare e dalle perturbazioni geomagnetiche, con conseguenze dirette sulla sicurezza e sull’affidabilità dei satelliti, delle telecomunicazioni, dei sistemi GPS e perfino delle reti elettriche.
Immagine artistica dei quattro satelliti della missione CLUSTER (per cortesia dell’ESA)
CLUSTER è stata una missione pionieristica, capace di trasformare una sfida tecnologica in una straordinaria avventura scientifica. È anche una storia di resilienza europea: un progetto perso e ricostruito, un fallimento trasformato in successo, una dimostrazione concreta di come la determinazione e la competenza possano portare a risultati duraturi. Ed è proprio questa storia — scientifica, tecnologica e umana — che voglio raccontarvi.
Prima, però, è necessario fare un passo indietro e richiamare i concetti fondamentali che sono alla base dell’intera missione: che cos’è il campo magnetico terrestre, come nasce, in che modo interagisce con il vento solare e perché questa interazione non è soltanto un affascinante fenomeno fisico, ma un elemento cruciale per la protezione della nostra atmosfera, delle nostre tecnologie e, in definitiva, della nostra vita quotidiana.
Il campo magnetico terrestre, la magnetosfera, il vento solare e la meteorologia spaziale
Luce e calore sono senz’altro gli effetti più evidenti e più importanti del Sole sulla Terra, grazie ai quali la vita ha potuto svilupparsi sul nostro pianeta.
Tuttavia, oltre a emettere luce, il Sole espelle costantemente nello spazio anche delle particelle elettricamente cariche, come protoni ed elettroni, che si muovono ad altissima velocità e che sono in grado di portarsi rapidamente in vicinanza della Terra. Per dare un’idea, le più veloci possono viaggiare a velocità superiori di quattromila volte a quella di un Airbus 380 e, quindi, percorrere la distanza che ci separa dal Sole in poco più di trenta minuti.
La Terra dunque si può paragonare a un’isola battuta da un vento fortissimo: il vento solare. Eppure, nella vita quotidiana, non ci accorgiamo (o quasi) degli effetti di questo vento, perché la Terra è protetta da un campo magnetico.
Generato dai movimenti convettivi del ferro e del nichel fusi nel nucleo esterno del nostro pianeta (la cosiddetta “geodinamo”), il campo magnetico terrestre si estende nello spazio formando una vasta regione chiamata magnetosfera.
Questa struttura a forma di goccia non è statica: è una struttura flessibile, deformata dalla pressione del vento solare. Sul lato rivolto verso il Sole è compressa fino a circa 70.000 km dalla Terra; sul lato opposto si estende in una lunga coda magnetica che può superare 6.000.000 km.
La magnetosfera funziona come uno scudo dinamico contro il vento solare. Senza questo scudo l’atmosfera sarebbe progressivamente erosa e le radiazioni cosmiche colpirebbero direttamente la superficie della Terra esponendola a continui danni.
Immagine artistica della interazione Vento Solare – Magnetosfera
Tuttavia lo scudo magnetico della Terra ha dei punti deboli in corrispondenza dei poli magnetici terrestri, dove la direzione del campo magnetico cambia, formando una specie di imbuto magnetico che accompagna le particelle del vento solare fino alla ionosfera, lo strato più alto dell’atmosfera terrestre.
Una delle conseguenze, per esempio, è che le particelle del vento solare penetrano nell’atmosfera e danno luogo alle aurore polari, cioè quella luminosità diffusa e colorata che illumina la notte nelle regioni a elevata latitudine.
Aurora Boreale su un lago islandese
Durante i picchi del ciclo solare (circa ogni 11 anni), eventi intensi come brillamenti solari e espulsioni di massa coronale possono scagliare enormi quantità di energia e plasma nello spazio. Se diretti verso la Terra, questi fenomeni intensificano il flusso di vento solare, generando tempeste geomagnetiche.
Le conseguenze possono essere rilevanti: blackout elettrici anche su larga scala (causati da correnti indotte al suolo), disturbi ai sistemi GPS (a causa delle perturbazioni ionosferiche) e alle telecomunicazioni (soprattutto ad alta frequenza), che possono risultare degradate o interrotte. A ciò si aggiungono possibili danni ai satelliti e un aumento dell’esposizione alle radiazioni per i voli aerei a lunga percorrenza nelle regioni polari e per le missioni spaziali umane.
Studiare l’interazione tra vento solare e magnetosfera terrestre non è solo una questione accademica, ma una necessità strategica per proteggere le infrastrutture tecnologiche globali. Per questo esiste un intero campo di ricerca, la meteorologia spaziale, che monitora il Sole e punta a prevedere questi fenomeni con obiettivi sia scientifici sia operativi.
La meteorologia spaziale (Space Weather), infatti, si concentra in particolare su tre aspetti: il comportamento del Sole, la propagazione del vento solare e la risposta del campo magnetico terrestre. Comprendere meglio questi processi permette di sviluppare modelli previsionali sempre più accurati, capaci di anticipare eventi estremi e ridurne gli effetti. Questo è essenziale per progettare reti elettriche più resilienti, proteggere i satelliti, garantire comunicazioni affidabili e assicurare la sicurezza dei voli ad alta quota e degli astronauti. In una società sempre più dipendente dalla tecnologia, lo studio dell’interazione tra Sole e magnetosfera è quindi cruciale per la continuità delle attività umane su scala globale.
La storia della missione CLUSTER
L’ESA ha svolto un ruolo decisivo nell’ambito della meteorologia spaziale attraverso il Solar and Terrestrial Science Programme (STSP), un’iniziativa concepita, agli inizi degli anni ’80, quando emerse l’esigenza di coordinare le ricerche sul Sole, sul vento solare e sull’ambiente magnetico terrestre superando l’approccio frammentato degli studi precedenti.
Immagine schematica delle missioni ESA di meteorologia spaziale (per cortesia dell’ESA)
STSP comprendeva due missioni chiave, SOHO (osservazione del Sole) e CLUSTER (studio della magnetosfera), che hanno rappresentato i primi pilastri di un approccio coordinato allo studio dell’interazione Sole-Terra ponendo le basi della meteorologia spaziale moderna.
CLUSTER aveva come obiettivo principale studiare le cuspidi polari, le “porte” della magnetosfera sopra i poli, la coda magnetica, i processi di riconnessione magnetica e le dinamiche del plasma nello spazio circumterrestre.
L’idea era rivoluzionaria: non un singolo satellite, ma quattro veicoli identici in formazione tetraedrica, capaci di osservare simultaneamente lo stesso fenomeno in punti diversi dello spazio. Questo avrebbe permesso di distinguere le variazioni spaziali da quelle temporali — un problema irrisolvibile con un solo satellite.
La decisione di utilizzare quattro satelliti rappresentava una scelta audace: aumentava complessità, costi e rischi, ma era l’unico modo per ottenere misure tridimensionali simultanee.
All’inizio degli anni ’90 la missione entrò nelle Fasi C e D, dedicate rispettivamente alla progettazione dettagliata, alla realizzazione dell’hardware e del software nonché alla verifica dei quattro satelliti prima del lancio. Tra il 1995 e il 1996 i quattro satelliti erano stati completati, integrati, testati e pronti al lancio.
I quattro satelliti erano destinati ad essere il carico utile del lancio inaugurale dell’Ariane 5, il vettore europeo destinato a sostituire Ariane 4 e ad aumentare significativamente le capacità di lancio dell’ESA. La scelta aveva una forte valenza strategica: dimostrare l’affidabilità del nuovo lanciatore, sottolineare il ruolo dell’ESA nelle missioni scientifiche complesse e ottimizzare il lancio simultaneo dei quattro satelliti.
Il 4 giugno 1996, dal Centro Spaziale ESA di Kourou, in Guiana francese, decollò Ariane 5 – Volo A501, con a bordo i quattro satelliti CLUSTER: il decollo avvenne nominalmente. Tuttavia, circa 37 secondi dopo il lancio, un errore nel software del sistema di riferimento inerziale di Ariane 5 provocò un overflow numerico non gestito. Il sistema trasmise dati errati al computer di bordo, che interpretò la situazione come una deviazione d’assetto e comandò correzioni estreme. Il razzo perse stabilità aerodinamica e, dopo circa 40 secondi, fu attivato il sistema automatico di autodistruzione. L’intera missione fu persa: una conclusione amara, ma, fortunatamente non definitiva.
L’esplosione di Ariane 5 – volo A501 – e dei quattro satelliti CLUSTER (per cortesia dell’ESA)
Il fallimento rappresentò una grave perdita scientifica ed economica con uno dei casi più emblematici di errore software nella storia dell’ingegneria aerospaziale.
Un momento critico per il programma spaziale scientifico europeo, che, tuttavia, non segnò la fine di CLUSTER: l’analisi tecnica del malfunzionamento fu rapida e rigorosa e, soprattutto, emerse la chiara volontà scientifica e politica di ricostruire la missione.
In un primo momento si pensò a un singolo satellite, chiamato “Phoenix”, ma risultò subito evidente che non sarebbe stato sufficiente. Si optò quindi per una soluzione più ambiziosa: la ricostruzione completa della missione con quattro satelliti identici.
Il lancio dei quattro satelliti CLUSTER II — soprannominati Rumba, Salsa, Samba e Tango — avvenne con successo nel 2000 dal cosmodromo di Baikonur, in Kazakistan, tramite due razzi Soyuz dotati dello stadio superiore Fregat.
Il viaggio verso l’orbita operazionale
La prima coppia di satelliti CLUSTER II fu lanciata il 16 luglio 2000, la seconda circa un mese dopo, il 9 agosto. Questo intervallo consentì di impiegare meno personale per il controllo della missione presso l’European Space Operations Centre (ESOC) a Darmstadt (Germania).
Dopo il decollo, lo stadio superiore Fregat accese il proprio motore per portare i satelliti prima in un’orbita circolare bassa e poi in un’orbita ellittica compresa tra 200 e 18.000 chilometri di quota. Una volta rilasciato dal lanciatore, ciascun satellite effettuò sei manovre principali per raggiungere l’orbita polare operativa definitiva, tra 19.000 e 119.000 chilometri dalla Terra.
Purtroppo, una prestazione inferiore alle attese del primo stadio del lanciatore Soyuz lasciò la seconda coppia di satelliti (Rumba e Tango) in un’orbita errata, costringendoli a fare affidamento soltanto sulla propria propulsione, oltre che sullo stadio superiore Fregat, per raggiungere la posizione finale corretta e unirsi a Salsa e Samba.
Il punto di forza di CLUSTER non fu solo la presenza di quattro satelliti, ma anche la possibilità di variare la distanza tra essi: da appena 3 fino a 60.000 km, a seconda degli obiettivi scientifici. Questa configurazione ha consentito di osservare simultaneamente più regioni dello spazio e di analizzare lo stesso fenomeno da prospettive differenti. Quando i satelliti erano vicini, potevano studiare le strutture magnetiche più piccole; quando erano distanziati, avevano una visione più ampia dei fenomeni su larga scala.
Nel corso della sua orbita, ciascun satellite ha attraversato sia l’interno che l’esterno della magnetosfera terrestre, permettendo di studiare ciò che accade su entrambi i lati del nostro “scudo” magnetico.
La descrizione dei satelliti CLUSTER
Il team industriale responsabile della costruzione dei quattro satelliti era guidato da Dornier Satellitensysteme GmbH (in seguito Astrium, oggi confluita in Airbus Defence and Space), con sede a Friedrichshafen, in Germania, e coinvolgeva 35 industrie provenienti da tutti gli Stati membri dell’ESA e anche dagli Stati Uniti.
Ogni satellite aveva la forma di un grande disco alto 1,3 metri e largo 2,9 metri, con un cilindro centrale. Attorno a questo cilindro erano fissati sei serbatoi sferici di carburante, che rappresentavano oltre metà della massa al lancio. La maggior parte del propellente era destinata ad essere consumata nelle manovre iniziali per raggiungere l’orbita operativa.
Ogni satellite utilizzava un sistema di controllo d’assetto detto “spin-stabilised”, cioè basato sulla rotazione del satellite attorno al proprio asse, come una trottola. Questa rotazione garantiva stabilità naturale nello spazio, riducendo la necessità di correzioni continue e permettendo agli strumenti di effettuare misure regolari dell’ambiente circostante. Inoltre ciascun satellite disponeva di due livelli di propulsione: un motore principale (utilizzato nelle fasi di manovra più importanti, ad esempio per l’inserimento nelle traiettorie operative iniziali e le modifiche significative dell’orbita) e otto piccoli propulsori di controllo (impiegati per correzioni fini dell’orbita e per mantenere con precisione la formazione tetraedrica tra i quattro satelliti). In questo modo, la stabilità data dalla rotazione e la propulsione a due livelli permettevano al satellite CLUSTER di mantenere una geometria estremamente precisa, fondamentale per lo studio tridimensionale della magnetosfera terrestre.
Una volta in orbita, per effetto della forza centrifuga durante la rotazione del satellite, si aprivano due antenne per le comunicazioni con le antenne di Terra, nonché due lunghi bracci e quattro sottili cavi metallici, che ospitavano dei sensori scientifici per misurare le variazioni dei campi elettrici e magnetici circostanti.
L’energia elettrica proveniva da sei pannelli solari curvi montati attorno alla struttura principale, mentre cinque batterie garantivano alimentazione durante le eclissi, quando i satelliti attraversavano il cono d’ombra terrestre per circa quattro ore.
Modello di volo di uno dei quattro satelliti CLUSTER durante la fase di assemblaggio (per cortesia dell’ESA)
Configurazione in orbita di uno dei quattro satelliti CLUSTER (per cortesia dell’ESA)
Ogni satellite era equipaggiato con 11 strumenti scientifici identici (per una massa complessiva di 71 kg), progettati per la misura di particelle cariche, dei campi elettrici (E) e dei campi magnetici (B). Gli strumenti furono realizzati da team europei e americani, sotto la guida di Principal Investigators (Responsabili Scientifici).
Le principali caratteristiche degli strumenti scientifici sono riportate nella tabella seguente.
| Acronimo | Strumento | Misura | Obiettivo |
| FGM | Magnetometro Fluxgate | Magnitudine e direzione del campo magnetico B | Vettorizzazione B e trigger di eventi per tutti gli altri strumenti tranne ASPOC |
| EFW | Esperimento di campo elettrico e onde | Magnitudine e direzione del campo elettrico E | Vettorizzazione di E, potenziale del veicolo spaziale, densità elettronica e temperatura |
| STAFF | Analisi spazio-temporale della fluttuazione del campo | Magnitudine e direzione delle fluttuazioni elettromagnetiche, correlazione incrociata di E e B | Proprietà delle attuali strutture su piccola scala, sorgente di onde di plasma e turbolenza |
| WHISPER | Onde di alta frequenza e rilevamento della densità mediante rilassamento | In modalità attiva: densità elettronica totale; in modalità passiva: onde di plasma neutre | Misurazioni della densità del plasma non influenzate da potenziali variazioni nel veicolo spaziale |
| WBD | Ricevitore dati a banda larga | Forme d’onda del campo magnetico e spettrogrammi di onde di plasma terrestre ed emissioni radio | Movimento di variazioni terrestri, ad esempio radiazione chilometrica aurorale |
| DWP | Strumento di elaborazione delle onde digitali | Manipolazione di dati | Controllo e comunicazione tra gli altri strumenti per produrre correlazioni di particelle |
| EDI | Strumento per la deriva degli elettroni | Magnitudine e direzione del campo elettrico E | Vettorizzazione di E e gradienti locali in B |
| ASPOC | Esperimento di controllo del potenziale del veicolo spaziale attivo | Regolazione del potenziale elettrostatico del veicolo spaziale | Controllo e comunicazione tra gli altri strumenti |
| CIS | Esperimento di spettroscopia di ioni a grappolo | Tempo di volo ed energie da 0 a 40 keV | Composizione 3D e distribuzione degli ioni nel plasma |
| PEACE | Elettrone al plasma e esperimento di corrente | Energie degli elettroni da 0,0007 a 30 keV | Distribuzione 3D degli elettroni nel plasma |
| RAPID | Ricerca con rivelatori di immagini adattive di particelle | Energia elettronica: da 30 a 1.500 keV Energia ionica: da 20 a 450 keV | Distribuzione 3D di elevate energie ioniche ed elettroniche nel plasma |
Un ventennio di scoperte scientifiche
La missione, inizialmente progettata per durare due anni, è stata estesa più volte (nel 2002, 2005 e oltre), rimanendo operativa fino al 2024.
Nel corso di due decenni, CLUSTER ha contribuito a chiarire numerosi misteri.
Ha approfondito la conoscenza della “coda magnetica”, la regione della magnetosfera che si estende dietro la Terra, lontano dal Sole. Ha identificato oscillazioni del campo magnetico dovute a onde interne e ha risolto il mistero del cosiddetto “rumore equatoriale”, dimostrando che è generato dai protoni.
Studiando la regione più esterna della magnetosfera, la missione ha mostrato che lo scudo magnetico terrestre non è una barriera completamente impenetrabile: è piuttosto “poroso”, simile a un setaccio, attraverso cui particelle altamente energetiche del vento solare possono infiltrarsi. Ha anche identificato la fonte dei cosiddetti “elettroni killer”, particelle ad alta energia che possono danneggiare i satelliti. Questi elettroni si formano quando onde d’urto legate a tempeste solari comprimono le linee del campo magnetico terrestre, accelerando le particelle a velocità pericolose.
CLUSTER è stata, inoltre, la prima missione a osservare direttamente il processo di “riconnessione magnetica”, durante il quale le linee del campo magnetico si spezzano e si riconnettono, liberando enormi quantità di energia.
Analizzando 18 anni di dati, i ricercatori hanno persino scoperto che il ferro è sorprendentemente diffuso nello spazio attorno al nostro pianeta. Si tratta della presenza di ioni di ferro, cioè atomi di ferro che hanno perso uno o più elettroni e sono quindi elettricamente carichi. In questa forma, il ferro può essere trasportato e guidato dai campi magnetici nello spazio. Le misure della missione CLUSTER hanno mostrato che questi ioni sono più diffusi del previsto nella magnetosfera terrestre. La loro origine principale è nella parte alta dell’atmosfera terrestre, da cui alcuni atomi vengono ionizzati ed espulsi e, in parte, anche il vento solare, che può trasportare elementi pesanti lontano dal Sole. In sintesi, non si tratta di “ferro solido nello spazio”, ma di una componente dinamica del plasma che circonda la Terra, la cui importanza era stata sottovalutata da missioni precedenti.
Grazie alla grande quantità di dati raccolti, gli scienziati sono riusciti perfino a trasformare in suono le onde generate nel campo magnetico durante una tempesta solare, producendo una sorta di inquietante “canto” della Terra.
CLUSTER è stato anche un esempio emblematico di come la ricerca fondamentale abbia ricadute dirette sulla vita quotidiana. Infatti ha trasformato la comprensione della meteorologia spaziale, contribuendo a:
- migliorare i modelli previsionali delle tempeste geomagnetiche;
- proteggere reti elettriche e satelliti;
- garantire maggiore sicurezza alle missioni spaziali;
- rafforzare la resilienza tecnologica globale.
Dopo ben 24 anni di attività scientifica continua, l’ESA ha deciso di concludere la missione e far rientrare in atmosfera i quattro satelliti CLUSTER: il rientro del primo satellite, Salsa, è avvenuto l’8 settembre 2024, il rientro dell’ultimo satellite, Tango, è previsto nel corso del 2026.
Immagine artistica del rientro in atmosfera del satellite Salsa
Nel futuro della meteorologia spaziale, l’eredità di CLUSTER sarà raccolta dalla missione SMILE (Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer).
SMILE, tuttavia, introdurrà un cambio di prospettiva significativo nella ricerca: invece di effettuare misure locali, osserverà l’intero sistema “Sole–magnetosfera”, fornendo una visione globale delle interazioni tra Sole e Terra. La missione è frutto di una collaborazione tra l’ESA e l’Accademia delle Scienze cinese e studierà l’interazione tra Sole e Terra attraverso:
- una camera a raggi X per l’osservazione del campo magnetico terrestre
- una camera ultravioletta per lo studio prolungato delle aurore polari (con campagne osservative fino a 45 ore).
Le attività di preparazione al lancio sono in corso presso il Centro Spaziale ESA di Kourou e il lancio è attualmente previsto per il 19 maggio 2026 a bordo di un razzo Vega-C.
Conclusione
CLUSTER non è stata soltanto una missione scientifica: è stata una vera scuola di lavoro di squadra, rigore tecnico e visione internazionale. Rappresenta la dimostrazione concreta di ciò che l’Europa può realizzare quando competenze, passione e collaborazione convergono verso un obiettivo comune, anche di fronte a difficoltà enormi.
CLUSTER ha, inoltre, segnato un capitolo fondamentale della mia carriera. Tutto ebbe inizio nel 1989 quando, dopo circa cinque anni di lavoro nel Controllo Termico di diversi satelliti presso Aeritalia di Torino (oggi Thales Alenia Space), iniziai la mia esperienza in ESA come responsabile dei sistemi termo-meccanici della missione CLUSTER: sono stati anni intensi, segnati da entusiasmo, grandi responsabilità, momenti difficili e importanti soddisfazioni.
Coinvolto direttamente nelle interfacce con il lanciatore Ariane 5, partecipai alle indagini successive al fallimento del primo lancio: un’esperienza dura ma estremamente formativa. Quell’episodio si è rivelato, infatti, una lezione preziosa, che anni dopo mi ha guidato nello sviluppo del lander PHILAE (della missione ROSETTA) e della prima missione ExoMars, lanciata nel 2016, con a bordo il Trace Gas Orbiter (TGO): grazie a numerosi e rigorosi test di validazione di software e componenti il TGO è tuttora operativo in orbita attorno a Marte, a oltre dieci anni dal lancio.
Contribuire, infine, alla definizione di CLUSTER II mi ha insegnato quanto, nello spazio come nella vita, la perseveranza sia una componente essenziale del successo.
Il nostro viaggio, per ora, si conclude qui. Spero che questa tappa abbia suscitato curiosità e meraviglia, offrendo uno sguardo diverso su quel “vuoto” sopra le nostre teste, che in realtà è un ambiente dinamico, complesso e fondamentale per la nostra esistenza tecnologica.
Nella prossima tappa vi racconterò degli External Payloads della Stazione Spaziale Internazionale, programma di cui mi sono occupato dal 2000 al 2004: il nostro viaggio nello Spazio Europeo continua.
Per ulteriori informazioni sulla missione CLUSTER visitare:
www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Cluster (in Inglese)