La sonda Cassini e il pensiero laterale

Fra le molte storie che sono state (e che saranno) raccontate sulla sonda Cassini, ce n'è una poco nota ma che mi sembra valga la pena raccontare. Perché non riguarda esclusivamente l'esplorazione spaziale: riguarda i risultati che è possibile raggiungere con l'immaginazione e la creatività. Che è parte fondante del Pensiero Laterale, tecnica di pensiero che dovrebbe far parte della dotazione culturale di ognuno di noi. Almeno fino a quando il mondo sarà un posto difficile (il che è previsto succeda almeno per i prossimi 10^{100} anni).

 

Antefatto

La sonda Cassini è stato un progetto miliardario che comprendeva sia la sonda in sé, la famosissima Cassini, sia un lander, chiamato Huyghens. Negli ultimi tempi, grazie anche allo "schianto programmato" della Cassini contro Saturno, avvenuto il 15 Settembre 2017, si è parlato molto della sonda e poco della sua compagna Huyghens.

Questo lander, negli obbiettImmagine ripresa dal lander Huygensivi della missione, sarebbe dovuto "ammarare" sui laghi di metano della luna Titano. Di fatto l'estensione di questi laghi, stimata dai risultati delle Voyager, era inferiore a quanto atteso. Per cui il lander, pur concludendo con successo la missione, "atterrò" al secco invece che all'umido. E se con "umido", gli scienziati della missione si aspettavano un ambiente di metano liquido a -180 gradi, il luogo in cui la sonda si posò fu una vallata secca e desolata, avvolta in una nebbia giallastra.

Nonostante la Cassini-Huyghens sia stata una delle missioni più di successo dell'intera storia delle esplorazioni spaziali, quattro anni prima di raggiungere Saturno e i suoi satelliti, da Terra ci si accorse che le cose potevano andare molto male. Che una parte estremamente importante degli obbiettivi della missione potevano non essere raggiunti a causa di un problema di progettazione.

Ma questo fu insieme il problema e l'occasione di trovare una brillantissima soluzione per superarlo.

 

Altro che millennium bug!

Per chi se li ricorda, gli anni attorno al 2000 erano anni in cui Bill Gates ammoniva l'umanità sui rischi che correva: si rischiava, secondo lui, di tornare al medioevo. E questo perché? Perché gli informatici di tutto il mondo non avevano considerato che le ultime due cifre dell'anno non bastavano per gestire la data, quando questa fosse passata dal 1999 (99 for short) al 2000 (00 for short). "Pensate ai frigoriferi, alle metropolitane, a..." (non ricordo nemmeno più quali esempi furono fatti, in quegli anni). Tutti questi sistemi, a detta dei catastrofisti, avrebbero bloccato persone in ascensori, scongelato derrate alimentari, mandato in tilt le banche...

Risultato: non ci fu nessun danno, che io ricordi, se non quello che moltissime persone, fra cui il sottoscritto, trovarono lavoro come informatici. In quegli anni informatico, vista la grande richiesta, era una qualifica che a volte non si spingeva molto oltre il saper spingere il pulsante di accensione di un computer. (Che derivi da qui il termine digitale? Da quel dito che premeva?)

Fu sempre nel 2000, tuttavia, che ci si accorse di un altro problema. Questo sì così serio da poter mettere a repentaglio buona parte della missione Cassini-Huyghens. In particolare: si scoprì che eravamo a rischio di non ricevere alcun dato utile dal lander Huyghens, quando questo avesse cominciato la sua discesa su Titano.

Il merito della scoperta, come raccontano le cronache, deve essere attribuito al radio ingegnere Boris Smeds che, dopo molti mesi di insistenze, ottenne che potessero essere verificati i suoi sospetti sul sistema di comunicazione Cassini-Huyghens. Secondo i dati in suo possesso, infatti, la costruzione del sistema di comunicazioni non aveva tenuto conto dell'effetto Doppler dovuto alla velocità relativa dei due oggetti durante la discesa del lander verso Titano.

Durante l'ultimo passaggio della sonda vicino alla Terra, che avvenne durante i primi mesi dell'anno 2000, l'insistenza di Smeds convinse l'ESA a eseguire un altro test. Che confermò purtroppo i timori dell'ingegnere. Ma qual era il problema?

Il problema non era dato da una parte non funzionante. Tutto funzionava a dovere. Ma era stato progettato, realizzato e testato senza tenere conto del moto relativo fra i due oggetti. In particolare, dato che la Huyghens non era equipaggiata per mandare i propri segnali fin verso la Terra, si decise che avrebbe comunicato con la Cassini e che sarebbe stata la sonda a inviarli verso Terra. Fin qui nulla di male. Si definì allora di usare un protocollo che sfruttasse la modulazione PSK (phase-shifting key). Questa, per funzionare, richiede che, per ogni treno di informazioni trasmesse, venga innanzitutto stabilito un messaggio iniziale di sincronizzazione. Vale a dire una sorta di "sincronizziamo gli orologi per essere sicuri che abbiamo tutti in mente lo stesso orario". Qui il concetto è più un: sincronizziamo la distanza fra ogni picco d'onda, in modo che tutti i segnali successivi siano interpretabili correttamente.

A Terra, tutto funzionava perfettamente. Ma Terra la Cassini e la Huyghens erano ferme, una rispetto all'altra, durante gli esperimenti in lab. Mentre durante la missione, dal momento che la Cassini avrebbe sganciato la Huyghens, rimanendo in orbita, la loro distanza, secondo gli scienziati, sarebbe variata fino a un massimo di 5,5 km/s. Ora tutti noi sappiamo che cosa succede al suono di una sirena quando l'ambulanza prima si avvicina a noi e poi si allontana: succede che il suono prima è più acuto (le onde sonore sono più ravvicinate le une alle altre) e poi diventa più basso (le onde sonore sono più lontane). Questo effetto, chiamato Doppler, capita anche nella trasmissione di onde elettromagnetiche. E sarebbe capitato anche alla comunicazione fra Cassini e Huyghens. Questo il grande timore, rivelatosi purtroppo fondato, di Boris Smeds. Se la velocità varia, le sincronizzazioni perdono presto di validità.

Quando la Cassini-Huyghens passò vicino alla Terra nel 2000 e gli scienziati provarono a sentire i segnali di test della Huyghens, tutto sembrò funzionare correttamente. Ma quando provarono ad "ascoltarli" con lo stesso sistema che avrebbe usato la Cassini, sentirono solo frammenti inservibili di informazioni. L'incubo di Smeds si era avverato: la Cassini non sarebbe riuscita a interpretare e quindi a ritrasmettere nulla della discesa del lander verso Titano.

 

Metti cento persone in una stanza, per sette mesi...

La situazione era grave. Non c'era modo di mettere mano all'hardware o al firmware della sonda che ormai si avviava, dopo un volo di altri quattro anni, a inserirsi in orbita attorno a Saturno e alle sue Lune. Occorreva capire come far comunicare le sonde.

Si potevano inserire sequenze di disturbo che simulassero in qualche modo l'onda "stirata" dalla velocità, simile al suono basso dell'ambulanza che si allontana? Si poteva ottenere qualcosa cambiando la frequenza di trasmissione per modificare percentualmente il disturbo?

La soluzione richiese cento persone e sette mesi, da Marzo a Ottobre dell'anno 2000. Vale a dire, da quando il problema fu rilevato senza ombra di dubbio a quando si trovò una soluzione.

La soluzione fu un pensiero fuori dagli schemi. E, come buona parte delle soluzioni del pensiero laterale, dopo che fu trovata, sembrò semplicissima. Sembrò che fosse l'ennesimo: «Ma perché non ci ho pensato prima?»

Per mesi gli scienziati si chiesero come modificare il segnale, il sistema di trasmissione, il sistema di ricezione, la codifica e la decodifica dei dati. E finché ragionarono in quel modo, ragionarono dentro la scatola.

Finché qualcuno immaginò qualcosa di diverso. E immaginò di far separare il lander un mese dopo rispetto a quando inizialmente previsto. In quel modo sarebbe variata la traiettoria di discesa della Huyghens, rendendola più verticale rispetto alla sonda che rimaneva in orbita. E riducendo sensibilmente l'effetto Doppler. Il risultato fu questo. Che riuscimmo a vedere, con inefficienze estremamente più contenute, la discesa su Titano.

Ora io non so chi sia stato a trovare la soluzione. Ma è anche questo un elemento molto caratteristico del pensiero laterale e delle soluzioni che arrivano per accumulazione, condivisione, rivisitazione, suggestione... Le idee migliori non hanno un solo padre.