Il Tredicesimo Cavaliere

Scienze dello Spazio e altre storie

LightSail + Cubesat: il Sistema Solare sarà aperto a tutti?

LightSail in orbita 2

Mentre i principi fondamentali della propulsione a vela solare erano noti già da lungo tempo, fin dall’epoca di Giulio Verne, solo recentemente la tecnologia dei materiali e di costruzione dei veicoli spaziali si è sviluppata abbastanza da rendere la vela solare un metodo di propulsione praticabile. La cosa è concettualmente molto semplice: costruisci una grande e leggerissima struttura (la vela), agganciala a un’astronave e lanciala nello spazio, dove la tenue pressione della luce del Sole può fare da propellente. Se la vela è grande abbastanza e l’altitudine sufficiente a far sì che non ci sia alcun effetto frenante dovuto all’atmosfera, la leggera ma costante accelerazione generata dalla pressione della luce del Sole può 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 nella loro applicazione pratica: costruire una vela sufficientemente grande, robusta eppure leggerissima, sistemarla ben piegata dentro l’astronave insieme a un affidabile meccanismo di dispiegamento, controllare l’orientamento del veicolo nello spazio (assetto) in modo che la vela possa essere usata per mandare l’astronave esattamente dove vogliamo. Fino a che queste capacità non saranno state messe alla prova e verificate, nessuna agenzia spaziale spenderà mai milioni di dollari per missioni che siano basate su questa tecnologia, a prescindere dai tanti potenziali benefici che promette. Ed è a questo punto che LightSail entra in gioco.

Il progetto LightSail è stato concepito circa cinque anni fa da Louis Friedman, Presidente uscente e co-fondatore  della Planetary Society, e da Tomas Svitek, della società Stellar Exploration, come metodo a basso costo di dimostrazione e convalida della tecnologia della vela solare. Gli obiettivi del progetto sono chiari: dispiegare e stabilizzare con successo una vela solare in orbita terrestre, dimostrare di saper controllare l’assetto del veicolo spaziale con sufficiente accuratezza, e usare la vela solare per modificarne intenzionalmente l’orbita. Per poter rappresentare un passo significativo verso future missioni, la vela deve essere abbastanza grande da fornire l’accelerazione richiesta, ma il sistema in generale deve essere piccolo e semplice per poter essere abbordabile economicamente.

Cubesat1Per fortuna, più o meno nello stesso tempo, il tipo di veicolo spaziale noto come Cubesat stava migliorando velocemente, fornendo una piattaforma ideale per la dimostrazione di LightSail. L’astronave è progettata come un Cubesat a tre unità (3U); consiste cioè in una colonna di tre cubi, ognuno dei quali misura 10 centimetri per lato. Tutte le funzioni, inclusa la vela e il meccanismo di  dispiegamento, sono sistemati in questo piccolo spazio. Mantenere il sistema piccolo e leggero abbastanza per entrare in un Cubesat 3U significa che una vela di dimensioni relativamente contenute, nel nostro caso 32 mq., può essere usata per fornire un’accelerazione utile. Se ne ottiene un veicolo spaziale a costo molto basso  eppure con elevate prestazioni, che darà un importante contributo alla tecnologia della vela solare. Sebbene ci siano state altre missioni equipaggiate con  vela solare, tra le quali la più nota è la giapponese  IKAROS, che nel 2010 dispiegò una vela solare nello spazio interplanetario eseguendo una serie di test, LightSail  sarà la prima del formato Cubesat. Con il loro profilo compatto e la componentistica standard, i Cubesat rientrano nella capacità di spesa di molte università e di altre organizzazioni; le grandi compagnie e le agenzie spaziali governative non saranno ancora per molto le sole a potersi permettere di costruire e lanciare satelliti. Ma a causa delle loro ridotte dimensioni, i Cubesat non hanno spazio per i motori a razzo e il relativo propellente che potrebbero permettere loro di viaggiare attraverso il Sistema Solare in maniera indipendente, e quindi non possono spingersi oltre le orbite terrestri . LightSail cambia tutto questo. Il matrimonio tra la vela solare e il paradigma Cubesat  è uno dei maggiori contributi di LightSail e della Planetary Society, sicuramente un passo avanti verso l’apertura del Sistema Solare a tutti.

Profilo di missione

LightSail sarà lanciato nell’aprile del 2016 come carico utile secondario del lanciatore Falcon Heavy, attualmente in sviluppo presso Space X. Una volta raggiunta l’orbita terrestre e distaccatosi dal vettore, LightSail, con la vela stivata al sicuro all’interno, verrà seguito e controllato lungo la sua traiettoria  per alcune settimane, allo scopo di determinarne accuratamente l’orbita e verificare che tutte le apparecchiature lavorino correttamente. Dopo circa quattro settimane dal lancio – l’esatto periodo di tempo non è stato ancora precisato – verrà dato il comando di dispiegare la vela solare. Ciò avverrà quando si avrà la certezza che il veicolo sarà in collegamento con una stazione terrestre di rilevamento, in modo da controllare il dispiegamento in tempo reale. Questo avverrà molto rapidamente: nel giro di un paio di minuti la vela sarà completamente estesa. A bordo, i sistemi noti come “torque rods” allineeranno automaticamente LightSail al campo magnetico terrestre e stabilizzeranno l’assetto del veicolo per la fase successiva, dedicata alla modificazione dell’orbita. Durante questa fase, il veicolo verrà riorientato due volte per ogni orbita, allo scopo di ottenere il massimo vantaggio dalla luce del Sole che colpisce la vela. Rettificando regolarmente il suo assetto durante un gran numero di orbite, mentre controlliamo accuratamente la dimensione, la forma e l’inclinazione dell’orbita sull’equatore terrestre, saremo in grado di confermare che la vela si sta comportando come previsto e sta eseguendo le attese modificazioni della traiettoria. Questo convaliderà pienamente il sistema e il processo di controllo dell’assetto. L’intera missione è pianificata per durare circa tre mesi, ma se il veicolo rimanesse efficiente non ci sarebbe motivo per non estenderla allo scopo di permettere ulteriori caratterizzazioni della prestazione dell’intero sistema.

Ciao LightSailConsiderazioni sull’altitudine dell’orbita

Una delle limitazioni nell’uso della vela solare in orbita terrestre è che la pressione della radiazione solare deve superare l’attrito atmosferico preferibilmente da 5 a 10 volte per garantire un sufficiente margine operativo. Questo dipende in parte dal fatto che l’alta atmosfera è variabile: si espande o si contrae secondo il ciclo del sole, l’attività delle macchie solari, e altri fattori meno prevedibili. Un’altitudine orbitale di 800 chilometri è considerata di solito la migliore per la configurazione  LightSail. In effetti, una delle sfide che ha impedito in passato di completare la missione LightSail è stata l’impossibilità di trovare un passaggio a buon mercato per l’orbita degli 800 km. Come dire, non erano previste possibilità di lanci gratuiti.

Per evitare il collo di bottiglia e portare finalmente LightSail nello spazio, abbiamo dovuto fare un compromesso sull’altitudine dell’orbita, e l’attuale piano di missione  prevede di piazzare l’astronave a circa 720 km. d’altitudine. Calcoli preliminari dimostrano che durante la missione la pressione della radiazione solare supererà l’attrito dell’atmosfera di un fattore che va da 2,5 a 5, sufficiente per una dimostrazione di volo a vela solare. Modificheremo l’orbita in vari altri modi, non solo rispetto all’energia orbitale, che ci obbliga a lavorare direttamente contro l’attrito atmosferico, ma anche in relazione ad altri parametri che non ne sono così drammaticamente influenzati. La pianificazione e il rilevamento accurati dell’orbita ci permetteranno di dare una dimostrazione efficace della tecnologia, anche a questa quota leggermente più bassa.

I partner dell’astronave LightSail

La Planetary Society stava giusto cercando un modo di completare la missione a prezzi sostenibili, quando dal Georgia Institute for Technology ci fu offerta una formidabile opportunità che ha grandemente favorito la missione. Gli studenti del Georgia Tech hanno vinto una gara per costruire e lanciare una missione chiamata Prox-1, che darà dimostrazioni di nuove tecnologie per operazioni di prossimità tra due veicoli nello spazio. Per farla breve, loro avevano bisogno di un’astronave che facesse da partner per i loro esperimenti, LightSail aveva bisogno di un passaggio verso un’orbita alta, non servì quindi molto tempo per rendersi conto che le due missioni sembravano fatte l’una per l’altra.

LightSail +Cubesat

Il nuovo piano della missione richiede che LightSail venga trasportato da Prox-1 e sganciato da esso una volta raggiunta l’orbita. Per varie settimane prima del dispiegamento della vela, Prox-1 prenderà immagini e telerilevamenti di LightSail da una distanza di sicurezza, mentre porterà avanti i suoi esperimenti di operazioni in prossimità. Quando tali esperimenti saranno completati, Prox-1 osserverà LightSail mentre dispiega la vela e conduce le sue prime manovre di assetto. Le immagini restituite da Prox-1 saranno estremamente utili per comprendere la dinamica del dispiegamento della vela, poiché saremo in grado di osservare la sequenza degli eventi in tempo reale oltre a ricevere i soliti dati via radio. Stiamo lavorando gomito a gomito con i ragazzi della Georgia Tech su questa missione combinata!

LightSail a terraL’astronave LightSail

È una meraviglia di progettazione innovativa e di confezionamento intelligente. Due delle sue tre unità Cubesat sono dedicate all’avionica e a ospitare la vela. La terza contiene invece il meccanismo di dispiegamento, inclusi i bracci estendibili a cui la vela è agganciata, il motore di navigazione, l’antenna per le telecomunicazioni e altri componenti. Durante le procedure di lancio i pannelli solari sono ripiegati sopra la vela, aiutando a tenerla nella corretta posizione fino al dispiegamento. Prima dell’apertura della vela, l’intero sistema misura 10×30 cm., circa la metà di un tostapane. La vela è realizzata in Mylar (polietilene tereftalato, una resina termoplastica) e una volta pienamente dispiegata misurerà 32 metri quadrati. L’astronave è quasi completa e verrà sottoposta agli ultimi test entro la fine dell’anno.

Prove di volo

È risaputo che il modo migliore per ridurre i rischi in un progetto di volo spaziale è quello di avere a disposizione due astronavi uguali (il massimo della ridondanza ndt), e LightSail è tra questa eletta schiera di fortunati. Grazie a un po’ di intelligente pianificazione nelle prime fasi del programma, due copie quasi identiche del sistema di volo sono pronte per essere lanciate. Inoltre la NASA ci ha regalato  un’altra opzione di lancio, così che  speriamo di poter eseguire un test di volo completo nel maggio 2015, ben un anno prima della missione primaria. Questo lancio mira a un’orbita più bassa, inadatta per una dimostrazione di volo vera e propria, ma sufficiente per permettere la verifica dei sistemi di dispiegamento e di assetto, e delle altre funzioni chiave proprie del Cubesat, con molto anticipo sulla data primaria di lancio. Il sistema di test di volo è in corso di preparazione e sta per essere a sua volta messo alla prova, e se saremo soddisfatti dei risultati, tutto il materiale sarà stivato e spedito in attesa del lancio. Dopo che avrà lasciato le nostre mani, la prima tappa sarà la Naval Postgraduate School di Monterey in California, dove LightSail, insieme ad altri Cubesat, sarà montata su una struttura di schieramento, poi il tutto verrà mandato al sito di lancio presso il Kennedy Space Center in Florida. Una volta che la vela si sarà dispiegata nello spazio con successo, la missione di prova durerà solo qualche altro giorno ancora, ma noi avremo certamente acquisito nuove conoscenze sulle prestazioni dell’astronave che ci aiuteranno a cogliere il successo con la missione primaria, nell’aprile 2016.

Avete dato una mano perché tutto questo accadesse!

Dopo anni di pianificazione, sviluppo e prove, LightSail ha oggi una data di lancio fissata e un’astronave quasi pronta. Con un possibile test di volo nel maggio 2015 e  una data ufficiale di lancio nel 2016, in collaborazione  con la missione Prox-1 della Georgia Tech, LightSail è pronta a dare esaustive dimostrazioni su Cubesat e la vela solare, e a rendere disponibile la tecnologia per missioni a basso costo in tutto il Sistema Solare. Durante il volo, ambedue le astronavi dovrebbero essere visibili a occhio nudo, dando al pubblico una chiara visione di cosa la Planetary Society è stata capace di fare grazie al generoso apporto dei suoi associati e semplici sostenitori.

Cosmos.1COSMOS-1: l’inizio

Il 21 giugno 2005, la Planetary Society lanciava Cosmos-1, la sua prima vela solare. Costruita in collaborazione con Cosmos Studios e assemblata dallo Space Research Institute russo, questa astronave assolutamente innovativa avrebbe dovuto essere la prima vela a volare intorno al mondo sospinta solo dalla luce del sole. Invece finì in fondo al Mare di Barents quando il suo veicolo di lancio, il missile russo Volna, non riuscì a separare il primo stadio dal secondo.
Per niente scoraggiati, e confortati dalla richiesta dei nostri associati di tentare ancora, abbiamo fatto tesoro dell’esperienza, prendendo nota di ciò che avevamo sbagliato – o fatto bene – e giurando di non arrenderci. Così, nove anni più tardi, eccoci pronti a mettere alla prova ancora una volta le nostre ali in Mylar. Rendiamo onore a Cosmos-1 e siamo grati a tutti coloro che hanno lavorato al progetto insieme a noi. È stato un altro primo passo per una organizzazione che ha già compiuto molti primi passi nel cercare di portare creativamente gli Uomini nello spazio.

 

Titolo originale : “Preparing to Sail” di Doug Stetson, pubblicato nel volume 34, numero 2, anno 2014, di “The Planetary Report”, a cura della Planetary Society, che ringraziamo anche per il materiale iconografico.

Traduzione di ROBERTO FLAIBANI
Editing di DONATELLA LEVI

Annunci

13 ottobre 2014 Posted by | Astrofisica, Astronautica, News, Scienze dello Spazio | , , , , | 1 commento

Cavalcare il vento solare

Il 7 maggio scorso è stato lanciato dallo spazioporto di Kourou un vettore Vega che ha seminato su varie orbite una manciata di piccoli satelliti. Uno di essi, denominato ESTCube-1, è veramente piccolissimo, misura infatti 10x10x11,35 cm. e pesa poco più di un chilo. In altre parole, si tratta di un tipico cubesat, ed è stato presentato come il primo satellite estone. Una volta salutati i simpatici studenti e tifosi Estoni come nuovi membri della costituenda spacefarer civilization, abbiamo archiviato la notizia e siamo andati a dormire, come sembra abbiano fatto perfino al Corriere della Sera. Salvo essere risvegliati di soprassalto, qualche ora dopo, dal frastuono dei corni da guerra dei blog spaziali americani: loro sì che avevano la vera notizia! E cioè che lo scatolino chiamato ESTCube-1 era in realtà il primo di una serie di test che avrebbe portato alla realizzazione, da parte di un consorzio d’imprese in area ESA, di un prototipo di vela solare elettrica nel giro di qualche anno. (RF)

 E-sailLo scatolino contiene un tether lungo 10 metri, cioè un cavo in alluminio dello spessore di soli 50 micron, che verrà srotolato molto lentamente nello spazio. Fatto questo, il tether riceverà una carica elettrica positiva grazie all’impulso di un cannonne elettronico e comincerà a interagire con gli ioni della magnetosfera terrestre. Lo studio di queste interazioni è alla base della teoria della vela solare elettrica e verrà approfondito nel corso di un secondo esperimento previsto per l’anno prossimo e denominato Aalto-1, in cui verrà usato un tether lungo 100 metri.

Pekka Janhunen, del Finnish Meteorolgical Institute, che guida fin dal 2006 il gruppo misto di scienziati estoni e finlandesi che si sono dedicati al progetto di vela solare elettrica, spiega che, una volta esaurita la fase di ricerca preliminare nella magnetosfera terrestre, sperano di arrivare entro il 2016 a varare un primo veicolo propulso da una vera vela solare elettrica in grado di produrre spinta utilizzando il vento solare e non la pressione della luce solare come fanno le tradizionali vele fotoniche tipo Ikaros.

Szames_sail La configurazione base di una E-sail dovrebbe comprendere un centinaio di tether da 25 micron, lunghi ciascuno 20 km. e un cannone elettronico ad alimentazione solare, in grado di mantenere l’intero sistema elettricamente carico ad un potenziale positivo pari a 20 kv. Con questi valori la vela, se applicata a un carico utile di una tonnellata, in un anno può raggiungere la velocità di 30 km/s, più del doppio di quella della sonda New Horizons, attualmene in rotta verso Plutone. Con carichi utili minori, missioni del genere potrebbero essere portate a termine in cinque anni raggiungendo velocità dell’ordine di 100 km/s. L’intensità del vento solare è variabile ma mediamente è cinquemila volte più debole di quella della radiazione solare che viene utilizzata dalla vela fotonica. Ciononostante la vela elettrica è ancora competitiva: un tether di 20 km arrotolato nel suo rocchetto pesa poche centinaia di grammi, costa pochissimo, è facile da dispiegare nello spazio, ma sopratutto è capace di produrre intorno a se, per svariati chilometri quadrati, un campo elettrico in grado di intercettare il vento solare. Inoltre Janhunen descrive nel suo sito tecniche e metodi per smorzare e contenere la variabilità nella densità e velocità delle particelle del vento solare, che costituisce il più serio problema al suo utilizzo.

 Molte interessanti missioni sono difficili da eseguire per veicoli con propulsione a razzo, sopratutto a causa ell’eccentricità o inclinazione delle orbite o della lontananza dei bersagli, la cosa invece non costituisce un problema per le vele solari che producono una spinta continuata e non necessitano di propellente. Tali considerazioni valgono tanto per le vele fotoniche che per quelle elettriche e sull’argomento i lettori possono leggere anche l’articolo Dopo Ikaros, dove? Segue una lista di possibili missioni ideali per le vele solari:

  • Pianeti, lune e asteroidi del Sistema Solare interno. E’ possibile ogni genere di missione: fly-by, rendez-vous, sample return, mining, deflection, ecc.

  • Asteroidi del Sistema Solare esterno (Cintura di Kuiper, Troiani di Giove, Centauri, Famiglia Hilda e altri). In pratica sono possibili solo missioni di fly-by: data la grande distanza dal Sole, la vela non riceverebbe abbastanza energia per decelerare ed eseguire manovre in prossimità del bersaglio.

  • Pianeti e lune del Sistema Solare esterno. Si potebbe costruire una grande astronave-madre a vela, capace di trasportare parecchie sonde specializzate (orbiter, lander, rover, jumper, ecc.) da sganciare in prossimità di bersagli predeterminati. tab1 (Tabella della durata del volo verso i giganti gassosi, calcolata per tre diversi carichi utili)

  •  Missione Data Clipper. Al giorno d’oggi non è difficile costruire strumenti scientifici che raccolgano una gran quantità di dati in poco tempo, e le nuove tecnologie di immagazzinamento rendono possibile il loro stoccaggio in dispositivi minuscoli, leggeri ed economici. Ciò che manca, invece, è la larghezza di banda per il download dei dati su distanze interplanetarie. Si potrebbero quindi costruire dei piccoli veicoli spaziali a vela solare dedicati a riportare fisicamente i dati in prossimità della Terra, da dove possano essere trasmessi con poca spesa, consentendo così di ridurre notevolmente i costi per le telecomunicazioni nel bilancio della missione.

  •  Viaggi interstellari. Janhunen ha ammesso in passato di non vedere nessuna applicazione della e-sail in questo campo, se non una sola, importantissima: decelerare quando l’astronave entra in contatto con il vento solare della stella di destinazione.

ROBERTO FLAIBANI

Fonti:

  •  IEEE Spectrum, ELECTRIC SPACE SAIL TO GET ITS FIRST TEST, by Rachel Courtland
  • POSSIBILITIES OPENED BY ELECTRIC SOLAR WIND SAIL TECHNOLOGY  by Pekka Janhunen et al. – Finnish Meteorological Institute, Helsinki
  •  Centauri Dreams, ENTER THE ELECTRIC SAIL, by Paul Gilster on May 8, 2013
  •  Centauri Dreams, TO RIDE THE SOLAR WIND, by Paul Gilster on May 9, 2013

 Credits: Alexandre Szames, IAF/IAC, Finnish Meteorological Institute, Pekka Janhunen

 

27 maggio 2013 Posted by | Astrofisica, Astronautica, News, Scienze dello Spazio, Volo Interstellare | , , , , , , , , , , , , | 2 commenti

Difesa Planetaria, anno zero

anno zero riassuntiva15 febbraio 2013: i fatti, brevemente.

(fare doppio click per allargare la foto).Un piccolo asteroide (circa 50 metri di diametro medio), chiamato 2012 DA14 segue una rotta che lo porta a passare a soli 27.000 km. dalla Terra, ben dentro l’orbita geostazionaria occupata dai satelliti per le telecomunicazioni. Tuttavia, dalle rilevazioni effettuate, il rischio di impatto appare molto basso. Ma ecco che, mentre l’attenzione di tutti gli osservatori, e i loro strumenti, sono rivolti verso il piccolo asteroide, entra improvvisamente in scena, con grandi effetti pirotecnici, un ospite del tutto inaspettato. Si tratta di un meteorite che fa il suo ingresso nell’atmosfera sopra la città russa di Chelyabinsk, situata grosso modo tra gli Urali e il confine col Kazakhstan, alle 9:20 del mattino ora locale. Al contatto con l’atmosfera, l’oggetto viene scosso da una serie di fragorose esplosioni, e, alla quota di 20.000 metri circa va definitivamente in mille pezzi, che si spargono tutto intorno in una vasta area. Il capannone di una vecchia fabbrica e lo stadio della locale squadra di hockey vengono distrutti, nonché centinaia di finestre, le cui schegge di vetro sono responsabili della maggior parte dei 1200 feriti registrati a fine giornata. Fortunatamente nessuno è rimasto ucciso. Si stima che il bolide avesse le seguenti caratteristiche: di poco inferiore ai 20 metri di diametro, 10.000 tonnellate di peso, capace di rilasciare un’energia pari a 500 kilotoni di TNT. Velocità e rotta erano incompatibili con quelle dell’asteroide 2012 DA14, quindi il meteorite non aveva con esso nessun rapporto, si è trattato di due eventi del tutto indipendenti, avvenuti lo stesso giorno per puro caso.

 Va da se che un sistema di difesa planetaria credibile dovrebbe essere frutto degli sforzi di un vasto schieramento internazionale; la sua direzione, i costi, e le responsabilità verrebbero condivise tra gli associati. Potrebbe essere necessario emendare i trattati internazionali attualmente in vigore, laddove escludano senza eccezioni l’uso di armi atomiche nello spazio, che invece potrebbe rivelarsi indispensabile in casi estremi. Ma sopratutto bisognerebbe che la classe dirigente e l’opinione pubbblica si rendessero conto che è ora di cominciare ad elaborare una strategia di sfruttamento metodico delle risorse del Sistema Terra-Luna per gettare le basi, entro fine secolo, di un vero e proprio sistema industriale basato nello spazio (ISRU) e largamente indipendente dalla Terra, in profonda sinergia con l’architettura della Difesa Planetaria. Già dall’anno scorso sono attive due piccole società, la Planetary Resources e la Deep Space Industries (DSI), decise a inaugurare le prime miniere extraterrestri. Infatti, oltre alla Luna, gli asteroidi che si muovono nelle vicinanze della Terra (i cosidetti NEO) potrebbero ospitare impianti minerari, da cui ottenere innanzitutto acqua e gas da usare come propellente per razzi. Se potessimo disporre di questi due elementi direttamente nello spazio invece di portarli in orbita da terra, i costi di lancio subirebbero un tracollo che renderebbe praticabili ipotesi fino a oggi ritenute troppo costose.

 (nella foto: Edward Lu e Russel Schweickart)Ed+Rusty Allora lo sviluppo di tecnologie di deflessione sarebbe utile non solo per evitare che qualche NEO entri in collisione con la Terra, ma anche per portarlo a muoversi su traiettorie più convenienti dal punto di vista dello sfruttamento minerario, per esempio intorno alla Luna o a uno dei punti di librazione. Allo stesso modo, Difesa Planetaria e industria spaziale hanno bisogno di una catalogazione completa dei NEO, e di aumentare e sistematizzare le conoscenze sulla loro composizione geologica. I privati stanno già preparando le sonde automatiche per le prospezioni: DSI, che usa tecnologia cubesat per tenere bassi i costi, assicura che nel 2015 sarà in grado di far volare i prototipi dei suoi Fireflies e Dragonflies.

 La catalogazione e la sorveglianza dei NEO è una faccenda lunga e dispendiosa. Edward Lu, che dirige la Fondazione B612 insieme a Russel Schweikart (due ex-astronauti), ritiene che siamo arrivati quasi al limite delle capacità del nostro sistema di telescopi. A suo parere, l’obiettivo stabilito dal Congresso degli Stati Uniti nel 2005, e cioè scoprire il 90% degli asteroidi di diametro medio superore ai 140 metri entro il 2020, sarà disatteso. L’unico telescopio spaziale che avrebbe i numeri per riuscire nell’impresa è il NEO Survey, progettato dalla Ball Aerospace, per il quale l’azienda costruttrice non è mai riuscita a ottenere in passato un finanziamento dalla NASA, né ci riuscirebbe ora, in un momento delicatissimo in cui l’Agenzia è stretta tra riduzioni di bilancio e la realizzazione del JWST, il nuovo mega-telescopio spaziale da 8 miliardi di dollari.

 Anno Zero orbite(nella foto: il cerchio verde è l’orbita della Terra, quello blu l’orbita dell’asteroide 2012 da14, mentre la grande ellisse blu è ila traiettoria della meteorafare doppio click per allargare la foto)  Ed ecco venuto il momento delle ONG, delle fondazioni, delle associazioni no-profit che sono ovviamente private, ma che raccolgono i loro finanziamenti da donatori e filantropi, un po’ come fanno certi ospedali e musei. Da questo ambiente emerge la già citata B612, che all’inizio della sua attività si occupava sopratutto di tecnologie di deflessione (era loro l’idea del “trattore gravitazionale”). Negli ultimi tempi, però, Lu e Schweickart hanno cambiato strategia, accettando come obiettivi primari la catalogazione dei NEO in base alle indicazioni del Congresso e sopratutto la copertura della cosidetta zona cieca che gli attuali telescopi non riescono a penetrare. Ciò dipende dalle caratteristiche delle traiettorie seguite dagli asteroidi per avvicinarsi al nostro pianeta. Infatti, se tale traiettoria è esterna all’orbita della Terra, l’oggetto sarà visibile nel cielo notturno e il suo movimento prevedibile con largo anticipo. Se, al contrario, la traiettoria di avvicinamento è interna, l’oggetto si muoverà nel cielo diurno, del tutto invisibile ai telescopi ottici basati al suolo.

 Si può ben dire che l’inversione di rotta di B612, annunciata alla fine di giugno 2012 e seguita di lì a poco da un accordo con Ball Aerospace sul quale ritorneremo tra un momento, non poteva essere più tempestiva! Infatti la NASA ha eseguito una ricostruzione completa della traiettoria del bolide di Chelyabinsk. Questo si trovava originariamente nella Cintura degi Asteroidi, dalla quale era stato strappato dal campo gravitazionale del Sole e immesso in un’orbita ellittica intorno a esso. Quando si è abbattuto su Chelyabinsk, il meteorite si trovava in rotta di allontanamento dal Sole, cioè si muoveva col Sole alle spalle, totalmente invisibile ai telescopi nella piena luce del mattino.

 Sentinel1(nella foto: come lavorerà Sentinelfare doppio click per allargare la foto) La zona cieca va dunque eliminata e il catalogo dei NEO realizzato nei tempi previsti. La Fondazione B612 e Ball Aerospace, riunite le forze, propongono il Sentinel, un telescopio equipaggiato con uno specchio da 50 cm. e una fotocamera a campo largo operante nel medio infrarosso, in pratica il NEO Survey rivisitato. Sentinel verrebbe lanciato nel 2017-2018 da un vettore Falcon-9 della Space-X, e posto in un’orbita simile a quella di Venere da dove, volgendo lo specchio sempre in direzione opposta al Sole, potrebbe scansionare metà della sfera celeste ogni 26 giorni, senza nessuna zona cieca. B612, inoltre, si è garantita l’appoggio della NASA, che metterà a disposizione i suoi impianti di telecomunicazione e il personale tecnico necessari per raccogliere ed elaborare i dati provenienti da Sentinel.

ROBERTO FLAIBANI

Fonti:

 Planetary Resources Ltd

Deep Space Industries Ltd

B612 Foundation

Articoli da The Space Review: 

  • A private effort to watch the skies – by Jeff Foust
  • Asteroid mining, boom or bubble? – by Jeff Foust
  • The three D’s of planetary defense – by Jeff Foust
  • It’s time for a real policy on asteroids – by Peter Garretson
  • Skyfall: will a Russian meteor and an asteroid flyby change our minds about the NEO threat? – by Jeff Foust

13 marzo 2013 Posted by | Astrofisica, Astronautica, Difesa Planetaria, Scienze dello Spazio | , , , , , , | 2 commenti

Innovazioni nella ricerca dei pianeti extrasolari

Nei periodi di crisi economica, come questo, anche i finanziamenti per le scienze dello spazio vengono severamente ridotti. Si affermano, di conseguenza, nuove tecnologie a basso costo, come il Cubesat, che ha reso possibile ExoplanetSat, un progetto con obiettivo lo studio di 250 stelle vicine al Sistema Solare grazie ad una costellazione di minuscoli ed economici satelliti. Si riciclano anche vecchie tecnologie, anch’esse “povere”, come quella del coronografo che, abbinato al  telescopio orbitale Hubble, rese possibile la scoperta di un nuovo pianeta extrasolare nel campo gravitazionale di una stella che lo nascondeva col suo fulgore, dimostrando anche la possibilità di osservare i pianeti extrasolari direttamente. (RF)

A partire dalla metà degli anni novanta gli astronomi hanno scoperto uno stupefacente numero di pianeti extrasolari, o esopianeti, cioè pianeti orbitanti intorno ad altre stelle. La “Extrasolar Planets Encyclopaedia”, il catalogo de facto di questi mondi, ne contava 707 al 2/12/11, un numero che cresce con una frequenza quasi giornaliera. La grande maggioranza di questi pianeti è stata scoperta grazie a due tecniche. La prima, quella della velocità radiale, misura l’intensità dell’effetto Doppler periodico causato dalla oscillazione indotta dalla gravità dei pianeti orbitanti intorno a una stella. L’altra, quella dei transiti, misura la leggera perdita di luminosità della stella quando un pianeta la “eclissa” (transita) passando tra essa e l’osservatore. La prima tecnica è spesso impiegata con telescopi basati a Terra, mentre la seconda è impiega sia da osservatori terrestri, che da veicoli spaziali come CoRoT  della agenzia spaziale francese CNES e il Kepler della NASA. […….]
Il numero crescente di esopianeti scoperti ha fatto aumentare l’interesse in questo campo e alimentato l’ambizione per missioni astronautiche più numerose e più importanti per scoprire e studiare questi mondi, particolarmente quei pianeti che possono essere simili alla Terra in dimensione, orbita e, potenzialmente, abitabilità. Queste ambizioni tuttava sono moderate da richieste concorrenti di  fondi, in un periodo nel quale dei finanziamenti forfettari sono il meglio a  cui gli scienziati possono aspirare per il prevedibile futuro. Questo ha portato ad alcuni nuovi concetti innovativi che si avvalgono di nuove tecnologie e possibilità, al fine di aprire nuove prospettive per la ricerca di esopianeti a costi più bassi.

Un nanosatellite a caccia di esopianeti

(nell’immagine: l’intelaiatura di un’unità Cubesat). Dieci anni fa si pensava che in futuro le missioni dedicate alla caccia agli esopianeti sarebbero state equipaggiate con strumenti migliori e più grandi. Come parte del suo programma Origins, la NASA aveva pianificato una serie di veicoli spaziali per cercare o addirittura osservare direttamente esopianeti di tipo terrestre: la missione Space Interferometry Mission (SIM), (vedi  “SIM and the ‘ready, aim, aim’ syndrome”, The Space Review, October 18, 2010), la missione Terrestrial Planet Finder (TPF) e la Planet Imager. Ma per una combinazione di fondi limitati e di priorità concorrenti, quei piani sono stati, nel migliore dei casi, ritardati indefinitamente, se non completamente cancellati.

Adesso alcuni ricercatori si stanno muovendo nella direzione opposta. Invece di veicoli più grandi, più sofisticati e molto più costosi, un gruppo sta provando a vedere quanto piccolo possa essere un veicolo spaziale e tuttavia rimanere in grado di compiere degli studi sui pianeti extrasolari. L’ExoplanetSat, un progetto congiunto del MIT  e del Draper Laboratory, propone di sviluppare satelliti abbastanza piccoli da potere essere letteralmente tenuti in mano, ma ancora abbastanza potenti per cercare pianeti intorno alle stelle.

ExoplanetSat lavorerebbe come Kepler, ricercando le minime cadute periodiche di luminosità dovute agli esopianeti in transito. Kepler, tuttavia, è puntato su un unico campo di stelle molto distanti, utile per raccogliere statistiche sulla frequenza di esopianeti ma non per compiere studi su una specifica stella.”Non sono in corso missioni spaziali che controllino le stelle più luminose simili al Sole per cercare pianeti di tipo terrestre,” ha detto Matthew Smith del MIT nel corso della presentazione della missione avvenuta nell’agosto 2011 a Logan (Utah), durante la Conference on Small Satellites presso la AIAA/Utah State University. Gli ExoplanetSat  puntano una sola stella alla volta, con il prototipo del satellite predisposto per studiare Alpha Centauri. Il satellite, posto in orbita terrestre, condurrebbe le osservazioni durante la notte orbitale, ricomponendo tutte insieme le osservazioni per cercare qualsiasi caduta di luminosità che possa essere causata da un pianeta in transito. Con il tempo altri satelliti potrebbero consentire l’osservazione continua di una data stella, come pure l’osservazione di altre stelle: il piano a lungo termine del progetto prevede una flotta di satelliti per l’osservazione di almeno 250 stelle.

(nell’immagine: un tecnico al lavoro su un’unità Cubesat)                   La chiave per realizzare questa costellazione di satelliti consiste nel costruirli molto piccoli e a basso costo. L’ ExoplanetSat, nella configurazione attuale, consta di 3 unità “Cubesat” di 10 centimetri di lato ciascuna, combinate in un unico satellite pesante solo pochi kilogrammi. Attualmente il veicolo è una versione leggermente ampliata di un vero 3U Cubesat, e ha una lunghezza di 34 cm. Il 3U è diventato un modello diffuso tra gli sviluppatori di piccoli satelliti, si usano opportunamente l’hardware e le analogie di progetto dei Cubesat originali per missioni che richiedano veicoli in qualche modo più grandi (vedi: “A quarter century of smallsat progress”, The Space Review, September 6, 2011). Il carico utile scientifico del satellite contiene un “telescopio” che, dice Smith, è in effetti solo un obbiettivo reflex irrobustito. E’ usato sia come rivelatore scientifico sia come sofisticata immagine guida, collegata ad una “sezione miniaturizzata di puntamento a due assi, piezoelettrica” per assicurare la stabilità dell’immagine. Questo carico utile occupa circa un terzo del satellite. Lo spazio rimanente è occupato da giroscopi e bobine di coppia usati per il controllo di assetto, così come batterie, computers, e sistemi di comunicazione necessari per gestire il satellite e scambiare dati con le stazioni a Terra. Smith dice che “in fondo stiamo combinando la piattaforma a basso costo Cubesat con un controllo accurato di assetto per raggiungere il grado di precisione che ci serve”.

Il prototipo dell’ExoplanetSat è in corso di sviluppo al MIT e sarà pronto per il lancio nel 2013. Il programma ha un posto prenotato all’interno del piano di messa in orbita di nano satelliti della NASA (ELaNa), che offre l’opportunità di lanci condivisi a carichi utili di classe Cubesat costruiti dalle università. Ma è stata una sfida trovare un posto in un lancio diretto nell’orbita ideale del progetto: un’orbita a 650 km, a bassa inclinazione per minimizzare la resistenza dell’atmosfera e l’esposizione alla radiazione proveniente dall’anomalia del Sud Atlantico e dai poli.

Smith ha detto che sono state prese in esame diverse orbite per trovare una finestra di lancio compatibile, e ha dichiarato: “Abbiamo valutato una gamma più ampia di quote e inclinazioni, e la nostra analisi dimostra che anche altre orbite sono compatibili.” ExoplanetSat deve raggiungere un’altitudine minima non inferiore ai 450-500 km per contenere gli effetti di attrito atmosferico e le loro conseguenze sulla durata della permanenza in orbita, mentre inclinazioni più accentuate dell’orbita possono essere prese in considerazione caso per caso.

Una traiettoria suborbitale per osservare nuovi mondi

Seppure la rilevazione del transito, attualmente in corso da parte di Kepler e prevista a breve da parte di ExoplanetSat, così come l’esame della velocità radiale, sono importanti per scoprire nuovi esopianeti, tuttavia rimangono metodi indiretti di osservazione. Per molti astronomi il Santo Graal della scienza degli esopianeti rimane l’osservazione diretta. Questa è una sfida gigantesca, soprattutto perché i pianeti sono confusi nel bagliore molto più luminoso delle stelle intorno alle quali orbitano. (l’illustrazione a fianco mostra un veicolo suborbitale riutilizzabile).

E se ci fosse un modo per schermare la luce della stella? L’idea di usare un disco di occultazione, o coronografo, per mascherare la luce di una stella, non è nuova: un coronografo nel telescopio spaziale Hubble bloccava la luce della brillante stella Fomalhaut, permettendo agli astronomi di fotografare direttamente un pianeta gigante, tre volte la massa di Giove, in orbita inorno alla stella. Questi avvistamenti diretti, tuttavia, sono tecnicamente impegnativi con gli attuali telescopi, e perciò rari. Sarebbe possibile lanciare un coronografo spaziale per consentire il rilevamento di esopianeti di dimensione terrestre. Il New Worlds Observer, come era stato originariamente concepito, consisteva di un telescopio di quattro metri di diametro in orbitta intorno al punto di librazione L2 Sole – Terra, allineato con un disco di occultamento chiamato schermo stellare, con cui volava in formazione a una distanza di 18.000 km. Il disco potrebbe essere usato anche da altri telescopi spaziali, come il James Webb Space Telescope (JWST). L’intricato disegno dello schermo stellare assomiglia a un fiore esotico, è progettato per eliminare la diffrazione della luce stellare intorno ai bordi del disco, così il telescopio può cercare in modo più efficiente pianeti poco luminosi.

In una presentazione tenutasi presso la conferenza Space Vision 2011 a Boulder, Colorado, in ottobre, Webster Cash dell’Università del Colorado ha mostrato delle simulazioni di che cosa potrebbe vedere del nostro sistema solare un telescopio equipaggiato con questo tipo di schermo stellare. Un ipotetico telescopio di 10 metri di diametro ed uno schermo stellare, posti entrambi ad una distanza di 30 anni luce, potrebbero facilmente individuare Venere e la Terra. Con 2,4 metri, il diametro di Hubble, Venere e la Terra sono appena al limite di rilevazione alla stessa distanza. “Per una distanza compresa tra i 10 ed i 15 parsec siamo assolutamente in grado di vedere gli esopianeti e di studiarli” ha detto Cash, il capo ricerca del progetto New Worlds Observer.

Il problema sta nel fatto che un sistema così dedicato sarebbe costoso da sviluppare, e ciò rende la NASA, che già è in sofferenza per i costi crescenti del JWST, reticente a finanziare questo tipo di missione, specialmente perché l’idea dello schermo stellare deve ancora essere del tutto sperimentata fuori dal laboratorio. Cash sta cercando di sostenere il progetto attraverso una dimostrazione su piccola scala. Ha detto “Quello che vogliamo davvero fare adesso è utilizzare piccoli schermi stellari ed imparare in quale modo funzionano veramente; recentemente ho speso molto tempo cercando un metodo per fare le cose più in fretta e in modo più economico”.

Un passo iniziale sarebbe porre uno schermo stellare sulla cima di una montagna a diversi chilometri di distanza dal telescopio; anche uno strumento di 20 cm sarebbe sufficiente per dimostrare l’efficacia dello schermo nel bloccare la luce stellare. Un’altra opzione sarebbe portare nella stratosfera un telescopio ed uno schermo su palloni separati, con uno dei due capace di manovrare per mantenere l’allineamento con l’altro. Ciò  dovrebbe essere sufficiente per scoprire eventuali pianeti nel sistema di Alpha Centauri.

Un’idea più intrigante mette insieme la ricerca di esopianeti con le capacità imprenditoriali della nuova industria spaziale, e precisamente propone l’uso di veicoli suborbitali riutilizzabili (RLV – vedi illustrazione a fianco). Un tale veicolo porterebbe lo schermo in quota e ve lo manterrebbe per diversi minuti, mentre un telescopio al suolo esegue le osservazioni. “Questo non si può fare con un normale razzo perché non è in grado di stabilizzare la quota e controllare la sua posizione, ma la nuova generazione di veicoli suborbitali ha queste capacità” ha detto Cash aggiungendo di aver studiato questa idea in cooperazione con uno sviluppatore di veicoli suborbitali, la Masten Space Systems. “ E’ molto interessante lavorare nel mettere in relazione queste nuove tecnologie con  le cose che puoi davvero realizzare con esse”.

Il vero ostacolo per Cash consiste nell’ottenere finanziamenti per sviluppare ulteriormente l’idea. In una riunione di sviluppatori di veicoli suborbitali e di ricercatori al Goddard Space Flight Centre della NASA, lo scorso settembre, ha detto che gli erano state rifiutate nove proposte di sviluppo di tecnologie correlate allo schermo stellare, comprese due poche settimane prima dell’incontro, anche se questo sviluppo tecnologico fu identificato della massima precedenza tra i progetti di media dimensione nella ultima rassegna astronomica decennale, pubblicata lo scorso anno, e ha concluso:”C’è qualcosa che non và là fuori”

Cash, tuttavia, ha dichiarato in pubblico allo Space Vision di aver pianificato di continuare a lavorare su questa idea. “ Noi continuiamo a spingerla, e ci aspettiamo di avere successo”. Con i bilanci della NASA difficilmente in grado di far fronte alle necessità di una missione principale dedicata agli esopianeti fino a chissà quando, è possibile che approcci non convenzionali come questo mantengano le migliori prospettive di realizzare l’estremo sogno degli astronomi: osservare un’altra Terra.

traduzione di FELICE GABRIELLI

Titolo originale: “Innovations in exoplanet search” scritto da Jeff Foust e pubblicato in The Space Review il 5 dicembre 2011.

Questo articolo segna la nostra partecipazione al Carnevale della Fisica #31, e inizia una fase di collaborazione con The Space Review, che ci auguriamo lunga e fruttuosa.

10 maggio 2012 Posted by | Astrofisica, Astronautica, Carnevale della Fisica, Planetologia, Scienze dello Spazio | , , | Lascia un commento

CubeSat e LightSail-1: largo ai piccoli satelliti!

10x10x10 cm. x 1kg. Sono le specifiche essenziali del modulo base di CubeSat, una classe di piccoli satelliti che verranno lanciati in orbita dalla NASA nel 2011 e 2012 come carico utile ausiliario (vedi immagine qui accanto). In pratica, nel caso piuttosto frequente in cui il carico utile primario, costituito da uno o più veicoli spaziali, non esaurisca la capacità di lancio del razzo vettore, la NASA si riserva la possibilità di completare il carico con un certo numero di moduli CubeSat. Da questa razionalizzazione della propria capacità di lancio, la NASA ha creato il programma pilota CubeSat, con cui si rivolge ai centri di ricerca e alle università pubbliche e private, proponendo la seguente formula: all’Agenzia competono i costi di lancio, salvo la possibilià di rivalersi sul cliente per un importo non superiore ai 30000 dollari per modulo, mentre il cliente si assume tutti gli altri costi (progettazione, costruzione, infrastrutture a terra, ecc.). Inoltre, la ricerca proposta dal cliente deve riguardare argomenti scientifici, tecnologici o didattici compresi nello “Strategic Plan”, o nello “Education Strategic Coordination Framework” della NASA.

L’Agenzia ha rilasciato nel 2010 due bandi per il lancio di complessiivi 32 CubeSat nel biennio 2011-12: tra i vincitori le università fanno la parte del leone, com’era prevedibile, ma ci sono anche centri di ricerca militari e civili, due Accademie militari e perfino un liceo. Ma quel che più conta per noi del Tredicesimo Cavaliere, è stato veder finalmente assegnato un posto anche alla Planetary Society con la sua vela solare LightSail-1 (nell’immagine qui accanto). La configurazione adottata in questo caso prrevede tre moduli CubeSat collegati tra loro a formare un parallelepipedo di 10x10x30 cm., che riesce a ospitare, grazie alle moderne nanotecnologie, due telecamere, due accelerometri, un apparato radio-telemetrico, il sistema di controllo dell’assetto, i pannelli fotovoltaici, la vela solare realizzata in Mylar e il suo meccanismo motorizzato di dispiegamento. “I nostri requisiti di lancio prevedono che Lightsail-1 sia posta in orbita a 825 km di altezza come minimo, per poter operare senza subire nessun effetto atmosferico – ha detto Louis Friedman, direttore del Progetto LightSail – ciò renderà più difficile per noi trovare un partner a cui aggregarsi per il lancio, ma il fatto stesso che la NASA ci abbia messi in lista, sarà per noi di grande aiuto.”

21 febbraio 2011 Posted by | Astronautica, Scienze dello Spazio | , , | 9 commenti

   

%d blogger hanno fatto clic su Mi Piace per questo: