Il Tredicesimo Cavaliere

Scienze dello Spazio e altre storie

Dopo Ikaros, dove? Future missioni per le vele solari

Mentre Ikaros (figura a sinistra) ha dimostrato di saper catturare la radiazione solare e di accelerare sotto la sua pressione, ed è ora impegnato in una lunga serie di test di navigazione, dalla Planetary Society giungono notizie confortanti sul Progetto Lightsail. L’assemblaggio della prima delle tre vele procede nei tempi stabiliti, anche se non c’è ancora una data di lancio ufficiale. Comunque, se i voli di collaudo in orbita terrestre di Lightsail-1 e 2 dovessero rivelarsi dei successi senza ombre, allora si potrebbe installare su Lightsail-3 un’adeguata strumentazione per condurre ricerche e osservazioni del Sole, e inviarlo al punto L1 Sole – Terra. Ben più ambiziosa, invece, la missione prevista per Ikaros-2: raggiungere e studiare i cosidetti “Asteroidi Troiani”, situati ai punti L4 e L5 Sole – Giove. L’orbita del gigante gassoso viene considerata il limite operativo per le vele solari, al di là del quale la pressione della radiazione solare sarebbe insufficente a garantire buone prestazioni. Perciò il secondo Ikaros sarà molto diverso dal primo: la vela avrà un diametro di 50 metri e forma floreale (la cosidetta configurazione “heliogyro”) e la sonda sarà dotata anche di un motore a ioni, alimentato dall’energia elettrica generata dalla stessa pellicola fotovoltaica che viene sperimentata oggi sul primo Ikaros. Ma, dato che l’attenuazione della radiazione solare ridurrà l’efficienza della pellicola a solo il 4%, basterà questo a far funzionare il motore a ioni? Si vedrà, il lancio è previsto negli ultimi mesi del 2010 (leggi: intorno al 2019 – addendum 06/02/11). Si noti infine che la decisione di inviare sia Lightsail che Ikaros a posizionarsi su dei punti lagrangiani non è affatto casuale. Tali punti, infatti, sono tutt’altro che stabili, e la loro posizione può cambiare sotto l’influsso di forze diverse, obbligando eventuali sonde che volessero mantenersi in librazione a frequenti correzioni di posizione. Strutturalmente libere da ogni problema relativo al propellente, le vele solari sono quindi candidate ideali per missioni dirette ai punti lagrangiani.

Il campo magnetico terrestre fa da scudo al pianeta contro i raggi cosmici e il vento solare. Oltre ad essere dannoso per gli organismi viventi in superficie, nei periodi di intensa attività del Sole, i cui picchi si verificano ogni 11 anni circa, il vento solare può causare seri problemi a qualsiasi impianto non schermato e ai satelliti in orbita geostazionaria. Il campo si estende nello spazio formando la magnetosfera (figura a sinistra), che presenta una forma allungata, orientata costantemente verso il Sole, compressa nella zona giorno e molto allungata nella zona notte, e un’intensità sempre variabile. La magnetosfera è attualmente oggetto di studio della missione Cluster dell’ESA, composta da 4 sonde che volano in formazione, lanciate nel 2000 e operative almeno fino al 2012, e della sonda cinese Double Star. Geosail è il nome della missione ESA che dovrebbe proseguire le ricerche sulla magnetosfera, quando la costellazione Cluster non sarà più operativa, e nello stesso tempo costituire un completo test di collaudo per una vela solare. Un lanciatore posizionerà la sonda in orbita geostazionaria, dove la vela verrà dispiegata, e darà inizio a un lento processo di modifica della traettoria. In 6-18 mesi Geosail si trasferirà su un’orbita fortemente ellittica con perigeo a 70.000 km e apogeo a 147.000 e l’asse maggiore allineato con quello della magnetosfera, in direzione del Sole. E non basta: a causa del moto di rivoluzione della Terra, l’asse della magnetosfera cambia continuamente direzione per mantenere l’allineamento col Sole. Per mantenersi a sua volta in asse con la magnetosfera, Geosail dovrà compensare tali variazioni modificando la propria orbita in ragione di 1 grado al giorno circa. Una simile missione sarebbe improponibile per una sonda equipaggiata con motori a razzo, ma sembra invece tagliata su misura per una vela solare di modeste dimensioni, diciamo tra i 30 e i 50 metri di diametro, e una massa tra gli 80 e i 200 kg, uno scherzo a confronto dei 1200 kg di un Cluster, di cui la metà era rappresentata dal carico di carburante (fig sinistra: orbita Geosail)

Lo studio della magnetosfera viene considerato uno dei settori di punta della ricerca spaziale e Geosail non è l’unico progetto dedicato a esso. Una valida alternativa potrebbe essere, sempre in ambito ESA, il Progetto Constellation, che prevede di popolare la magnetosfera con ben 35 aquiloni solari di forma quadrata (figura a destra),con superfice pari a 25 mq e un carico utile di peso inferiore al kilo, comprendente un magnetometro, un sensore per le polveri spaziali, e rilevatori del plasma e dei protoni del vento solare. Piazzati nei punti strategici, gli aquiloni realizzeranno una rete in grado di monitorare costantemente la magnetosfera nei suoi valori di base, in tempo reale.

L’eclittica è l’orbita che la Terra percorre intorno al Sole, e l’equatore terrestre è inclinato rispetto ad essa di circa 23°. Quando si lancia un veicolo spaziale, generalmente il razzo vettore viene programmato per allinearsi col piano dell’equatore o con quello dell’eclittica. Se si vuole che il veicolo entri in orbita terrestre, sarà più economico sceglierne una a bassa inclinazione rispetto al piano equatoriale, per consentire al veicolo di utilizzare a proprio vantaggio il moto di rotazione della Terra. E’ convenzione, infatti, definire a inclinazione zero l’orbita che giace esattamente sul piano equatoriale, mentre il veicolo spaziale che la percorre si muove nel senso di rotazione del pianeta. Analogamente, se la destinazione si trova al di fuori del campo gravitazionale terrestre, muoversi sul piano dell’eclittica consentirà al veicolo di utilizzare a proprio vantaggio il moto di rivoluzione della Terra, per raggiungere la velocità di fuga. L’orbita con inclinazione pari a 90° viene chiamata Orbita Polare, mentre le orbite con inclinazione maggiore di 90° sono definite retrogade. L’aspetto interessante dell’Orbita Polare è che il satellite, mentre si muove tra i due poli, vede passare sotto di se letteralmente tutta la superfice del pianeta (figura a sinistra). Sebbene non possano esistere orbite polari geostazionarie, è certamente possibile piazzare dei satelliti al di sopra dei poli, anche se a grande distanza dal pianeta, e poi “compensare” con la vela in modo da mantenere invariata la posizione (missione Pole Sitter). Da lì si può controllare tutto l’emisfero corrispondente in tempo reale: niente di meglio per chi si occupa del monitoraggio delle risorse naturali, delle previsioni del tempo, della raccolta dati per qualsiasi operazione di mappatura e naturalmente per l’intelligence militare e quant’altro. Purtroppo però l’Orbita Polare è la più costosa da raggiungere: quei 90 gradi di inclinazione sul piano equatoriale annullano completamente il vantaggio dato dalla rotazione terrestre. Il problema può essere elegantemente risolto utilizzando il lanciatore per raggiungere un’orbita equatoriale di “parcheggio”, e da lì servirsi di una vela solare per regolare a piacere, e a costo zero, l’inclinazione dell’orbita.

La missione Solo-Sail (Solar Orbiter) mi sembra una delle più audaci tra quelle considerate realizzabili con l’attuale livello tecnologico della vela solare. In sintesi, dopo un volo diretto Terra – Sole della durata di 37 mesi, la sonda si inserisce in un’orbita molto ravvicinata (0,172 UA; 1UA=distanza Sole-Terra), in sincronia con l’equatore solare. Da lì, con un ulteriore volo di circa 20 mesi, Solo si sposta in orbita polare, quella definitiva. Per offrire le prestazioni richieste, la vela sarà di forma quadrata, con ciascun lato lungo 167 metri. Siccome in prossimità del Sole la vela dovrà operare a temperature vicine ai 300°C, limite operativo per molti materiali plastici, parte di essa dovrà ricevere un trattamento al cromo, per garantire il controllo della temperatura. In realtà esiste una “vera” missione Solar Orbiter, un confronto tra le due può essere istruttivo.

Vorrei precisare che tutti i dati qui riportati per illustrare le ipotetiche missioni ESA “sail propelled” provengono da una mia ricerca effettuata su materiale di pubblico dominio messo a disposizione dall’Agenzia stessa. Purtroppo ciò non significa che le missioni ne risultino a loro volta in qualche modo “ufficializzate”. Con l’eccezione di Geosail, che sta effettivamente in fase di studio, posso affermare di non avere né dati, né indizi che possano far pensare a un intervento concreto dell’Agenzia nel settore della vela solare prima del 2015. Ovviamente sarei lieto di essere smentito! E comunque annuncio fin d’ora la pubblicazione a breve termine di un secondo articolo sul tema del dopo Ikaros.

Per concludere, voglio presentare un libro che ho letto e riletto e che rappresenta per me un’abituale fonte di ispirazione. Si tratta di “Solar Sails – A novel approach to interplanetary travel”, di Giovanni Vulpetti, Les Johnson, Gregory L. Matloff, pubblicato in coedizione da Copernicus Books e Praxis Publishing Ltd. Il libro si rivolge a un pubblico non specializzato ed è scritto quindi in uno stile discorsivo, evitando, per quanto possibile, di utilizzare formalismi matematici, o cadere nel gergo tecnico-scientifico. Ho riportato qui di seguito l’indice del libro, sperando di fare cosa gradita ai lettori.

Parte Prima: motori spaziali passato e presente. 1) un’introduzione storica alla propulsione spaziale; 2) il razzo: come funziona nello spazio; 3) il razzo : problemi e limitazioni; 4) propulsione spaziale non a razzo; 5) l’opzione vela solare dall’oceano allo spazio

Parte Seconda: missioni per le vele solari. 6) principi di navigazione spaziale a vela; 7) cos’è una nave spaziale a vela; 8- vele contro razzi; 9) esplorare lo spazio con la vela solare; 10) cavalcare un raggio di luce

Parte Terza: costruzione di un astronave a vela. 11) progettare una vela solare; 12) costruire una astronave a vela; 13) progressi recenti; 14) progetti futuri

Parte Quarta: a vela nello spazio, alcuni aspetti tecnici 15) Sorgenti di luce nello spazio; 16) Utilizzare la spinta prodotta dalla pressione della radiazione eletromagnetica; 17) Traiettorie delle astronavi a vela;18) Vele nello spazio

Fonti e mmagini, courtesy ESA, NASA, The Planetary Society, JAXA

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19 luglio 2010 - Posted by | Astrofisica, Astronautica, Scienze dello Spazio | , , , , , , ,

5 commenti »

  1. […] essere utilizzata per ottenere le altissime velocità di cui qualsiasi astronave ha bisogno per navigare nel Sistema Solare. Non c’è dubbio che i principi di fisica della vela solare funzionino. La sfida risiede […]

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    Pingback di LightSail + Cubesat: il Sistema Solare sarà aperto a tutti? – Il tredicesimo cavaliere 2.0 | 30 aprile 2016 | Rispondi

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    Pingback di LightSail + Cubesat: il Sistema Solare sarà aperto a tutti? « Il Tredicesimo Cavaliere | 13 ottobre 2014 | Rispondi

  3. […] che si teneva  nell’intimità di un vecchio e comodo albergo. I suoi ideatori, Les Johnson e Greg Matloff, volevano che gli ospiti si sentissero a loro agio e fossero nel giusto spirito per […]

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    Pingback di Conferenze sul volo interstellare nel 2014 « Il Tredicesimo Cavaliere | 24 maggio 2014 | Rispondi

  4. […] tra l’avventura e il dramma, le peripezie dell’equipaggio di un’astronave-scuola a vela solare. Ovvero una “nave” con velature vaste migliaia di miglia quadrate e spesse pochi micron d’un […]

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    Pingback di Vikkor Vittorio Catani » Blog Archive » Futuro, via la scuola! | Fantascienza.com Blog | 18 settembre 2010 | Rispondi

    • La vela solare come sistema di propulsione è una realtà, seppure a livello sperimentale: Ikaros, un prototipo di fabbbricazione giapponese, è stato lanciato in orbita solare ed è pienamente operativo.

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      Commento di outsidertheblog | 20 settembre 2010 | Rispondi


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