Sulla penisola di Mahia, in Nuova Zelanda, il cielo notturno fa da cornice ai preparativi finali sulla rampa di lancio della penisola di Mahia. È il 28 giugno 2022 e i tecnici di Rocket Lab stanno completando le ultime verifiche sul vettore leggero Electron. All'interno della carenatura protettiva si trova un piccolo ma cruciale passeggero: il cubesat CAPSTONE, un satellite pesante appena 25 chilogrammi sviluppato per conto della NASA. L'obiettivo primario di questa missione commerciale è estremamente ambizioso: immettersi in un'orbita lunare mai sperimentata prima, l'orbita ad alone quasi rettilinea, per spianare la strada alla futura stazione spaziale cislunare Gateway.
Il conto alla rovescia procede senza intoppi tecnici significativi. Al raggiungimento dei minuti conclusivi della sequenza temporale, i sistemi automatizzati assumono il controllo completo delle operazioni di lancio. I computer di bordo monitorano costantemente la telemetria, verificando le pressioni interne dei serbatoi e lo stato dei nove motori Rutherford del primo stadio, alimentati a ossigeno liquido e cherosene. Alle ore nove e cinquantacinque UTC, i propulsori si accendono e il razzo si solleva dalla piattaforma, squarciando l'oscurità e dirigendosi verso est sopra l'oceano.
La fase di ascesa iniziale richiede precisione millimetrica per superare gli strati più densi dell'atmosfera terrestre. Dopo meno di tre minuti di volo regolare, si giunge allo spegnimento del primo stadio e alla successiva separazione aerea. Il secondo stadio accende il suo motore ottimizzato per il vuoto per continuare la spinta costante verso l'orbita terrestre bassa. I controllori di volo a terra, dislocati tra la Nuova Zelanda e gli Stati Uniti, seguono i grafici della telemetria in tempo reale sulle console della sala di controllo. Ogni singolo parametro di velocità e altitudine rispetta fedelmente i limiti nominali della traiettoria prevista.
A circa dieci minuti dal decollo, il secondo stadio rilascia con successo il terzo stadio interplanetario, denominato Lunar Photon. Questa piattaforma di trasferimento ha il compito fondamentale di agganciare il nanosatellite e guidarlo attivamente fuori dall'orbita terrestre. Nelle ore successive al lancio, il centro di controllo di terra conferma che i pannelli solari di Lunar Photon si sono dispiegati correttamente e che le batterie di bordo sono in piena fase di carica. Il veicolo spaziale si trova ora in una configurazione stabile e sicura, pronto per le delicate manovre di innalzamento orbitale.
L'operazione di trasferimento balistico verso la Luna non è affatto immediata. Durante i sei giorni successivi, il propulsore di Lunar Photon si accende periodicamente per incrementare in modo progressivo la velocità del sistema e allontanarlo dall'influenza gravitazionale terrestre. Ogni accensione del motore a propellente liquido viene pianificata minuziosamente dal team di navigazione di Advanced Space e monitorata tramite la complessa rete di antenne del Deep Space Network della NASA. Questa sequenza di spinte incrementali riduce al minimo il consumo di propellente del piccolo cubesat, sfruttando l'assistenza gravitazionale del Sole per raggiungere la destinazione finale. Al termine di questa complessa fase multi-giorno, il terzo stadio rilascerà la sonda sulla rotta definitiva, dando inizio a una crociera solitaria di 4 mesi.
Dopo un viaggio lungo e non privo di imprevisti tecnici, tra cui la temporanea perdita del controllo di assetto superata grazie alla prontezza dei programmatori a terra, la sonda ha raggiunto il suo obiettivo il 13 novembre 2022. L'inserimento nell'orbita ad alone quasi rettilinea ha segnato l'inizio di una fase scientifica e metodologica di straordinaria rilevanza per il futuro dell'astronautica. CAPSTONE è diventato il primo veicolo spaziale a operare in questa particolare orbita cislunare, caratterizzata da un punto di equilibrio gravitazionale tra la Terra e la Luna che consente di minimizzare l'energia necessaria per il mantenimento della traiettoria.
I dati raccolti durante la missione primaria e le successive estensioni hanno confermato le simulazioni teoriche sulla stabilità di questa complessa orbita. La traiettoria allungata ha permesso alla sonda di volare a una distanza minima ravvicinata dal polo nord lunare e di spingersi fino a un apolunio di 70.000 chilometri sopra il polo sud, completando un intero ciclo di rivoluzione ogni sei giorni e mezzo. Questa geometria orbitale offre una visibilità continua verso la Terra, eliminando le zone d'ombra nelle comunicazioni che caratterizzano le orbite lunari tradizionali basse. Le misurazioni dello sforzo di mantenimento orbitale hanno dimostrato che i requisiti di propulsione per mantenere un veicolo in questo specifico corridoio spaziale sono estremamente ridotti, confermando l'idoneità dell'orbita per ospitare la futura stazione spaziale cislunare Gateway senza la necessità di grandi riserve di carburante.
Oltre a validare la dinamica orbitale, la missione ha conseguito importanti successi nello sviluppo di tecnologie di navigazione autonoma. Attraverso l'innovativo software denominato Cislunar Autonomous Positioning System, la sonda ha eseguito con successo una serie di esperimenti di collegamento radio diretto con il satellite Lunar Reconnaissance Orbiter della NASA. Questo sistema ha consentito di misurare la distanza reciproca e la velocità relativa tra i due veicoli in orbita attorno alla Luna, dimostrando la fattibilità di una navigazione autonoma che riduce la dipendenza dalle reti di tracciamento basate a terra. Un ulteriore traguardo tecnologico è stato raggiunto grazie all'impiego di un orologio atomico miniaturizzato installato a bordo, che ha permesso di elaborare misurazioni di distanza unidirezionali ricevute dalle stazioni terrestri.
La missione ha completato con successo la sua fase primaria di sei mesi, fornendo dati ingegneristici inestimabili ai progettisti del programma Artemis. Successivamente, nel mese di settembre 2024, la NASA ha concesso un'estensione operativa per proseguire i test sui sistemi di navigazione, confermando la longevità e l'efficienza della piattaforma. L'eredità metodologica di questo piccolo esploratore risiede nell'aver dimostrato che piccoli satelliti commerciali a basso costo possono svolgere un ruolo primario nell'esplorazione dello spazio profondo, riducendo i rischi per le future missioni umane e gettando le fondamenta tecnologiche per la futura infrastruttura cislunare.
