Il Tredicesimo Cavaliere

Scienze dello Spazio e altre storie

L’esplorazione dei giganti di ghiaccio

Mentre i pianeti interni sono già stati attivamente studiati, almeno in merito alla possibilità di ospitare forme di vita autoctona, i due giganti gassosi, e alcuni dei loro satelliti, sono attualmente al centro dell’attenzione.

Sistema Solare masse(nell’immagine: le masse planetarie nel Sistena  Solare: Urano e Nettuno sono le due sfere azzurre  in basso a destra)

Nel sistema di Saturno la sonda Cassini si aggira  ormai da anni, raccogliendo dati scientifici importanti (l’ultimo flyby di Titano risale al 18 giugno scorso) tanto da meritare, come sembra, un prolungamento della sua vita operativa. Giove, invece, è l’obiettivo di ben tre missioni: Juno, già partita, che studierà la magnetosfera del pianeta, JUICE, fiore all’occhiello dell’ESA, da lanciare nel 2022 e dedicata ai satelliti Ganimede, Callisto ed Europa, e  poi Europa Clipper, ancora in fase di progettazione. Infine, nella primavera dell’anno prossimo, New Horizons eseguirà un flyby di Plutone per poi inoltrarsi nell’inesplorata Fascia di Kuiper, fino ad esaurimento dell’energia.

Ecco quindi l’attenzione dei ricercatori rivolgersi all’unica area ancora semi-inesplorata del Sistema Solare, dove orbitano i cosidetti giganti di ghiaccio, Urano e Nettuno. Sono diversi da Giove e Saturno, oltre che nelle dimensioni, anche nella composizione dell’atmosfera: nei primi riscontriamo solo il 25% di idrogeno, e invece abbondano di ammoniaca, metano e sopratutto acqua (da cui il ghiaccio), mentre gli altri presentano quasi esclusivamente idrogeno e un po’ d’elio. L’unica esplorazione diretta di Urano e Nettuno è stata eseguita dal Voyager 2, rispettivamente nel 1986  e nel 1989. Poi più nulla.

(nella foto: la sonda Cassini) Cassini

Come e quando
I progetti di missione di cui siamo a conoscenza sono due: il primo si chiama Progetto ODINUS, o meglio: “Progetto di una missione diretta ai pianeti giganti ghiacciati, con due astronavi gemelle per svelare la storia del Sistema Solare.” Il documento ufficiale è stato inviato all’ESA per partecipare alle selezioni previste nell’ambito del programma Cosmic Vision 2015-2025 e presenta come primo firmatario il dott. Diego Turrini dell’Istituto di Astrofisica e  Planetologia dell’ INAF-IAPS di Roma, insieme a 14 colleghi  quasi tutti italiani. Una prima proposta è stata  accettata ed è stata anche fissata una data indicativa per il lancio, il 2034 . Nel caso di ODINUS, è prevista la messa in orbita di due sonde identiche, una intorno a Urano, l’altra a Nettuno, e la raccolta di dati analoghi, registrati sui due pianeti nello stesso lasso di tempo e nel mezzo interplanetario durante la crociera, servendosi di set di strumenti uguali. Di conseguenza, ci sarebbe la possibilità di creare nuovi protocolli e una metodologia completamente nuova, comparata, dell’esame dei dati raccolti. Se ne avrebbero senz’altro grandi vantaggii scientiifici, ma anche un certo incremento di spesa, che non sappiamo se l’ESA potrà e vorrà affrontare. Fortunatamente, il Senior Committee Survey dell’Agenzia ha già dichiarato che l’esplorazione dei giganti di ghiaccio “sembra essere una pietra miliare tempestiva, del tutto adeguata per una missione di classe L (large)”. Speriamo bene!

e-Sail(nella foto: Pekka Janhunen illustra il funzionamento della e-Sail)

Il secondo progetto in esame si chiama “Missione con propulsione a vela solare elettrica per l’esplorazione profonda dell’atmosfera di Urano” ed è firmato da Pekka Janhunen, scienziato finlandese già noto ai nostri lettori come inventore  della vela solare-elettrica. Si tratta di una cooperazione tra l’Istituto Meteorologico Finlandese, il CNES e l’Università di Pisa. Prevede il lancio di una sonda di 550 kg. per giungere fino a Urano in meno di 6 anni, grazie alla spinta fornita da una vela solare-elttrica da 0,5 N. Il veicolo è composto da tre moduli distinti: il primo (e-sail module – 150 kg.), ospita la vela e viene espulso in prossimità dell’orbita di Saturno, perché a quella distanza il vento solare non ha più energia sufficiente da trasferire all’astronave. Il secondo modulo (carrier module – 150 kg.) è dotato di un  sistema autonomo di propulsione grazie al quale può mettersi in orbita intorno a Urano. Ci sarebbe inoltre spazio disponibile dove alloggiare della strumentazione scientifica e configurare così una serie di missioni “orbiter” che gli autori non vogliono però approfondire. Il carrier module ospita anche un’antenna ad alto guadagno di 1 metro di diametro con cui  ritrasmettere alla Terra i dati ricevuti dal terzo modulo (entry module – 250 kg., di cui 36 di strumentazione scientifica), che eseguirà l’esplorazione profonda dell’atmosfera uraniana. Fatte le debite distinzioni, gli autori non fanno mistero di essersi ispirati all’entry module della Missione Galileo, che nel 1989 apriva la campagna di esplorazione del Sistema Solare esterno, e anch’essi si chiedono se non sia opportuno pianificare con maggiore anticipo le future missioni  in quest’area, standardizzando hardware e procedure delle prossime sonde automatiche.

new_horizons(nella foto,  la sonda New Horizons)

Gli obiettivi scientifici più importanti

I pianeti giganti apparvero probabilmente molto presto nella storia del Sistema Solare, formandosi nel lasso di tempo in cui il Sole era ancora circondato dal disco circumstellare di gas e polvere. Fin dagli anni ’50 era stato riconosciuto il ruolo dei pianeti giganti nella formazione e nell’evoluzione del giovane Sistema Solare  con Giove che avrebbe iniettato nuovo materiale nelle regioni di formazione di Urano e Nettuno, in forma di planetesimi sparsi. L’importanza del Modello di Nizza, la teoria oggi più accreditata sull’evoluzione del Sistema ai suoi primordi, sta nel fatto di sostenere con forza l’idea che i pianeti giganti non si sono formati dove li vediamo oggi o, in altre parole, che ciò che osserviamo oggi non è necessariamente un riflesso del Sistema Solare come era immediatamente dopo la fine del processo di formazione. Il successo di questa teoria nello spiegare diverse caratteristiche del Sistema Solare ha però aperto la strada a scenari più estremi. Di recente, infatti, una nuova interpretazione della formazione planetaria ottenuta attraverso lo studio di sistemi extrasolari, ha dato origine all’idea che il Sistema Solare potrebbe aver subito un’evoluzione molto più caotica e violenta di quanto precedentemente teorizzato.

Nuove conoscenze sui primordi del Sistema Solare, possibilità di sottoporre a  verifica il “Modello di Nizza” e di acquisire grandi quantità di misurazioni in loco, tra cui la composizione chimica e isotopica dell’atmosfera: sarebbe questo l’allettante bottino scientifico che attende i ricercatori.

ROBERTO FLAIBANI

editing DONATELLA LEVI

 

 

FONTI:

Return to the Ice Giants, published by Paul Gilster on Centauri Dreams – June 18, 2014

Outer Planet Exploration Strategies,  published by Paul Gilster on Centauri Dreams – June 19, 2014

Fast e-Sail Uranus Entry Probe Mission, by Pekka Janhunen et al. – arXiv: 1312.6554v1

The Scientfic Case for a Mission to the Ice Giant Planets with Twin Spacecraft to Unveil the History of our Solar System, by Diego Turrini et al.

 

 

 

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25 agosto 2014 Posted by | Astrofisica, Astronautica, Planetologia, Scienze dello Spazio | , , , , | Lascia un 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

   

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