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

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

Piccoli velieri aprono la via verso le stelle

Il volo interstellare è un obiettivo del tutto irraggiungibile con l’attuale tecnologia, ma invece sono realizzabili, prima della fine del secolo, tre missioni precorritrici che, utilizzando la vela solare fotonica e sfruttando le ultime scoperte nelle nanotecnologie, nella scienza dei materiali e nella robotica, condurranno le nostre sonde ben oltre i confini del Sistema Solare.  In questo articolo Louis Friedman,  Tom Heinsheimer e Darren Garber tracciano il percorso che, si spera, ci condurrà nel prossimo secolo al primo volo interstellare (RF).

Cosmos-1

Sembra un po’ assurdo che il Pentagono, e precisamente  la DARPA, abbia iniziato un programma, chiamato 100 Year Startship (100YSS) e dedicato al volo interstellare, un’idea nata dalla mente di David Neyland, uno dei dirigenti della DARPA, e di Peter Worden, direttore del Ames Research Center della NASA. I due si erano ispirati al romanzo di Robert Heinlein “Time For the Stars”, dove alcuni imprenditori creavano la “Long Range Foundation”, che investiva nei viaggi spaziali per stimolare l’innovazione scientifica e tecnologica. La DARPA vuole stimolare queste innovazioni e ha registrato l’acronimo 100YSS  con l’intenzione di darlo in licenza al vincitore di una gara  per la creazione di una organizzazione non governativa, finanziata privatamente e dedicata al volo interstellare. La gara è stata vinta dal gruppo Jemison, guidato dall’ex-astronauta Mae Jemison.

L’idea che sta alla base del 100YSS è stata discussa per la prima volta  nel gennaio 2011, durante una riunione di pianificazione strategica a numero chiuso, e ancora, nove mesi dopo, in un congresso tenutosi a Orlando, Florida. I tre autori di questo articolo, che avevano seguito lo sviluppo del progetto dalla riunione iniziale fino al congresso, hanno raccomandato ai congressisti di considerare che i futuri protagonisti del volo interstellare avrebbero potuto più facilmente essere  dei surrogati umani, aggiornati ai massimi livelli della robotica, della biologia e dell’informatica, che non veri essere umani, difficilmente disponibili per viaggi così lunghi. J.Craig Venter, scienziato e imprenditore di ampie vedute nel campo della sintesi del DNA, aveva suggerito che la missione interstellare poteva includere il trasporto di  molecole del DNA programmate per interagire con il pianeta di destinazione, e in grado di spedire indietro informazioni in modi che noi possiamo solo cominciare a immaginare.

L’esplorazione umana di altri sistemi stellari avrà luogo solo se lasceremo a casa gli esseri umani. Minuscole navi spaziali compiranno i viaggi interstellari, e non veicoli di dimensioni mostruose, con motori nucleari, ad antimateria o a curvatura.
Si consideri quanto insignificante è stato lo sviluppo della tecnologia del volo umano nello spazio negli ultimi 50 anni , specialmente se paragonato alla tecnologia spaziale robotica, che si è evoluta in modo esplosivo in quanto a intelligenza, capacità di raccogliere i dati,  durata di funzionamento, con i relativi miglioramenti in termini di distanza percorsa e di valore scientifico. Gli esseri umani non hanno ancora viaggiato oltre la Luna  e le idee per estendere il volo spaziale umano piu lontano nel Sistema Solare sono le stesse degli anni 60, e richiedono enormi missili, un sacco di carburante, elaborati e pesanti sistemi di supporto vitale, lunghi periodi di volo.
Al contrario, il livello delle tecnologie robotizzate è cresciuto rapidamente, seguendo un percorso in qualche modo congruente con la Legge di Moore (che descrive l’avanzamento a velocità esponenziale nell’elettronica  e nella elaborazione dei dati, raddoppiando le prestazioni ogni 18 mesi), con il risultato che le nostre sonde automatiche hanno raggiunto i confini del Sistema Solare e la loro strumentazione è grandemente migliorata riducendo il volume, la massa e il consumo di energia. In questo articolo descriviamo un approccio progressivo al volo interstellare che utilizza questi avanzamenti nella tecnologia robotica e di conseguenza sarà veloce, economico e tecnicamente fattibile, senza che siano richiesti “miracoli” nel campo della propulsione.

Il piccolo veliero

Il volo interstellare puo essere messo in pratica in un solo secolo, e le missioni a esso antesignane che verranno lanciate nei prossimi decenni possono servire come pietre miliari sulla strada che porta alle stelle. La decisione critica è quella di servirsi dell’effetto fionda  generato dal pozzo gravitazionale del Sole per ottenere l’accelerazione necessaria  per far uscire ad alta velocità dal Sistema Solare una piccola astronave a vela fotonica. Tali minuscole astronavi, con la tecnologia odierna, avrebbero un limitato carico utile e scarse capacità di comunicazione, ma la situazione sta cambiando rapidamente grazie anche allo sviluppo della LightSail della Planetary Society. Già ora, secondo uno studio del JPL, si si sta pensando a possibili missioni interplanetarie basate sul concetto di LightSail per il programma “Innovative Advanced Concepts” della NASA. (nell’immagine a fianco, la copertina di “Solar Sails” di Vulpetti, Johnson e Matloff, ed. Copernicus, eccellente esempio di divulgazione scientifica).

Raggiungere le stelle con una LightSail a propulsione laser è un concetto elaborato da Robert Forward negli anni 80, l’unico metodo pratico per raggiungere le stelle conosciuto all’epoca. Seguendo questo approccio, raggi laser o fasci di microonde messi a fuoco su distanze interstellari fornirebbero la spinta continua necessaria una volta che la luce del Sole fosse diventata inutilizzabile come fonte di propulsione (l’emissione solare diventa troppo debole al di là dell’orbita di Giove). Questo metodo richiederebbe la costruzione di una grande piattaforma laser nel Sistema Solare.  In questo articolo vogliamo suggerire che una semplice vela solare a propulsione fotonica può essere usata sia per ottenere avanzamenti tecnologici nel campo del volo interstellare, sia per raggiungere i necessari obiettivi intermedi.

La prima applicazione proposta per la vela solare fotonica si rifà a un’idea di Jerome Wright degli anni 70 per una missione di rendezvous con la cometa di Halley. L’aspetto straordinario di questa idea nacque dalla necessità di compensare la direzione e la velocità di un oggetto che stava cadendo nel Sistema Solare interno lungo una traiettoria retrograda, cioè in direzione opposta al movimento orbitale dei pianeti. Mettere l’astronave su questa traiettoria richiedeva una manovra del tipo “fermate il mondo, voglio scendere”.  Raggiungere il momento angolare inverso sarebbe stato possibile utilizzando l’accelerazione continua fornita dalla luce solare, più un trucchetto di meccanica celeste. La fionda gravitazionale richiesta per ottenere un aumento di velocità (ovvero un cambiamento dell’energia orbitale della sonda, detta anche momento angolare) è più efficiente se si esegue nel punto della traiettoria più vicino al Sole (perielio): tanto minore è il perielio tanto maggiore è l’energia ottenuta dall’astronave. La strategia per il rendezvous con Halley richiedeva parecchie orbite intorno al Sole e l’aggiustamento del momento angolare della sonda fino a che il suo valore veniva invertito e combaciava con il movimento retrogrado della cometa.

Anche per il volo interstellare useremo una strategia di volo radente al Sole (fionda gravitazionale a basso perielio) per ottenere un grande guadagno di energia. Oltre a questo vantaggio dato dalla meccanica celeste, l’astronave guadagnerà altra energia dispiegando la vela nelle vicinanze del Sole. Questo incremento d’energia aumenterà le dimensioni dell’orbita dell’ astronave spostando l’afelio oltre i pianeti esterni. In questo modo l’afelio potrebbe essere esteso all’infinito e l’astronave assumere una traiettoria iperbolica (invece che ellittica) che la farebbe uscire dal Sistema Solare.

Per raggiungere alte velocità di fuga, abbiamo bisogno di un grande valore del rapporto  tra l’area della vela e la massa dell’astronave (A/m). Una grande vela raccoglie un sacco di fotoni e ciascuno di essi trasmette la sua energia alla nave spaziale. Quanto più la massa della astronave è piccola tanto più grande sarà l’accelerazione risultante. Un altro fattore chiave, come si notava precedentemente, è la vicinanza al Sole. La distanza del perielio dal Sole è limitata dalle proprietà termiche dell’astronave e della vela. Una vela posta a 1 UA, la distanza tra la Terra e il Sole, deve resistere a una temperatura  di circa 45 C°, ma a 0,3 UA la temperatura sale fino a 305 C°. Ma se vogliamo andare più vicino al Sole, il mylar di cui è composta la vela non pùo funzionare, invece lo possono fare certe plastiche speciali. Materiali avanzatissimi, fatti di nanotubi e fibre di carbonio, oppure dotati di substrati in alluminio in grado di evaporare, rilasciando una nube ultra sottile di molecole che trasmette la sua energia alla vela, possono anch’essi rendere possibili voli radenti al Sole, quindi la ricerca di un sistema di propulsione interstellare deve includere la ricerca dei migliori materiali per le vele.

Quanto lontano e quanto veloce?

La distanza del pianeta più lontano, Nettuno, è pari a circa 30 UA. La cosidetta Cintura di Kuiper, composta di oggetti ghiacciati, di cui molti sono pianeti nani o comete inattive, si estende dai 50 ai 500 UA circa. Il confine del Sistema Solare viene di solito considerato essere l’eliopausa, un’area larga e irregolare dove il vento solare lascia il passo a un analogo flusso di particelle provenienti da altre stelle. L’eliopausa si trova approssimativamente a 150 UA dal Sole. Nessuna astronave terrestre ha mai raggiunto una simile distanza, sebbene il Voyager 1, la sonda piu veloce lanciata fino ad oggi, stia per raggiungere la fine della Heliosheath, la regione dove il vento solare interagisce con la radiazione cosmica. Voyager 1 raggiungerà presto l’eliopausa, coprendo circa 3,7 UA all’anno, cioè un anno luce in 17.000 anni. Il sistema stellare più vicino è Alpha Centauri, che dista 4,3 anni luce dal Sole, pari a  271.000 UA.

Per determinare quanto lontano una nano-astronave dotata di una vela solare può arrivare in un determinato tempo, abbiamo eseguito un’analisi parametrica del rapporto area/massa e dei passaggi più vicini al Sole (distanza del perielio). Abbiamo considerato il rapporto A/m da circa 1m2/kg (pari approssimativamente al valore della sonda giapponese Ikaros) fino a circa 1000m2/kg.  (In confronto , il valore proposto per la sonda destinata al rendezvous con la cometa di Halley era pari a 700m2/kg). La vela solare della Planetary Society è circa 7m2/kg. Per i lettori interessati ai dettagli tecnici, noi definiamo “caratteristica” l’accelerazione dell’astronave che si verifica a 1 UA. Come primo passo, potenziando progressivamente l’astronave LightSail, possiamo considerare un rapporto area/massa di circa 100m2/kg, cioè una vela di 100 per 100 metri e una astronave di 100 kg di massa, equivalente a una grossa lavatrice. Comunque , il vero futuro per il volo interstellare richiederà un astronave di massa pari a un ordine di grandezza più piccolo rispetto a una vela di tale dimensione, producendo un valore A/m di circa 1000m2/kg. Alcuni analisti di missione cinesi hanno proposto recentemente un’astronave a vela solare di 550m2/kg da usare per la deflessione degli asteroidi.

Per il massimo avvicinamento al Sole , consideriamo un valore del perielio intorno a 0,1- 0,2 UA, veramente molto vicino! Negli anno 70, nello studio per la missione alla cometa di Halley si consideravano valori intorno a 0,25 UA. Studi più recenti della NASA suggeriscono che i progressi nella scienza dei materiali permetteranno di sopravvivere ad avvicinamenti anche maggiori. La vela solare viene dispiegata dopo il lancio e la nave spaziale comincia a girare intorno al Sole in una rotta a spirale. Al perielio, la rotta della Vela Solare viene modificata per raggiungere il massimo afelio e l’astronave continua a orbitare intorno al Sole finche non riesce a sfuggire alla sua attrazione. Una volta che l’astronave è giunta oltre l’orbita di Giove  la vela può essere sganciata. Il grafico delle prestazioni della vela mostra quanto lontano un astronave a Vela Solare puù arrivare in 50 anni in funzione del rapporto A/m e del perielio.

Fino alla Lente Gravitazionale

In 50 anni la nostra astronave da A/m =100, seguendo una traiettoria che passa entro 0,2 UA dal Sole, arriva fino a 450 UA, vicino al bordo esterno della Cintura di Kuiper. Se il perielio fosse 0,15 UA, percorrerebbe 500 UA e se fosse 0,1 UA l’astronave arriverebbe a 900 UA! Il vantaggio di un perielio più ravvicinato diventa ancora maggiore con l’aumento del rapporto A/m. Proponiamo tre missioni da considerare come pietre miliari antesignane del volo interstellare, che riflettono il costante miglioramento nella progettazione dell’astronave e l’aumento delle dimensioni della vela:

  • 2018 – 2030 – 2037
    Cintura di Kuiper (50 UA)
    Eliopausa (150 UA)

  • 2025 – 2066 – 2072
    Fuoco della Lente Gravitazionale (550 UA)
    Asse della Lente Gravitazionale (1.000 UA)

  • 2035 – 2085
    Nube di Oort (5.000 – 50.000 UA)

In termini di valore scientifico, un volo attraverso la Cintura di Kuiper sarà basato sulla miriade di scoperte effettuate dalle missioni New Horizons, e ne saranno necessarie parecchie per determinare le caratteristiche fisiche dell’Eliopausa.
La terza missione prevede numerosi obiettivi intermedi, studiati dall’astronave stessa.

(Qui a  sinistra appare la copertina del libro di Claudio Maccone che offre l’analisi più approfondita della missione al fuoco della lente gravitazionale del Sole). Delle tre pietre miliari sulla strada che porta al volo interstellare, la missione al fuoco della lente gravitazionale è particolarmente interessante. E’ il luogo dove la luce delle stelle fisse è messa a fuoco dal pozzo gravitazionale del Sole (come previsto da Albert Einstein nella Teoria della Relatività Generale), quindi dovrebbe essere un buon posto dal quale osservare gli esopianeti. Teoricamente tale fuoco non sarebbe puntiforme, ma coinciderebbe con l’asse focale, a cominciare da 550 UA (fuoco del Sole nudo, ndt), sebbene gli effetti perturbatori della corona solare apparentemente lo spingano indietro fino 700 UA (e anche oltre, perchè il fuoco si estende all’infinito). Nella figura qui sotto noi usiamo 600 UA come valore nominale. Un’astronave da A/m =100 con un perielio di 0,15 UA raggiunge questa distanza in 55 anni, uscendo dal Sistema Solare a una velocità di circa 19,4 UA l’anno. Se il perielio fosse pari a 0,2 UA, il tempo di volo aumenterebbe di circa il 25%. Al contrario, se il perielio fosse inferiore a 0,1 UA, allora la durata del volo sarebbe dimezzata. In questo caso noi potremmo raggiungere il fuoco della lente gravitazionale a 600 UA in 25 -30 anni.

Le pietre miliari che abbiamo proposto, indicano delle possibili missioni per il progetto 100YSS, antesignane del volo interstellare vero e proprio. Nel frattempo le vele solari diventeranno più sottili e la loro superficie più grande, dall’attuale 5x5m fino a 30x30m. I bracci estendibili diventeranno più leggeri e robusti, probabilmente  usando, negli stadi più avanzati, materiali ai nanotubi di carbonio. Mano a mano che la tecnologia avanza, la massa in relazione alla superficie della vela decresce e si passa dal livello di nano-astronave a quello di pico-astronave, cioè meno di 1 kg. Satelliti di questa stazza sono già in corso di studio e progettazione presso la Aerospace Corporation. Queste missioni antesignane del volo interstellare che proponiamo qui, seppure teoriche, sono realistiche. Col raddopio delle nostre capacità ogni 10 anni, possiamo spingerci sempre più lontano, al di fuori del Sistema Solare. Questa prospettiva suggerisce una specie di Legge di Moore per il volo spaziale, basata non sul valore di mercato, ma sulla comprensione del nostro posto nell’universo.

Previsioni a lungo termine

Le tre missioni appena proposte si devono considerare precorritrici del volo interstellare sia come pietre miliari che indicano obiettivi specifici per arrivare più lontano e più velocemente, sia come più alti livelli nella tecnologia delle vele che un giorno o l’altro ci condurrà fino alle stelle. Oggigiorno, raggiungere la significativa distanza di 1 anno luce, per non parlare di Alpha Centauri che dista 4,3 anni luce, sembra aldilà della capacità della vela solare fotonica, senza intervento di laser o altri raggi portanti. Comunque la nanotecnologia, la scienza dei materiali, e la robotica stanno avanzando cosi velocemente che questo obiettivo non deve essere lasciato da parte  né il suo studio rimandato ad altra data. C’è molto lavoro da fare per sviluppare la nanoastronave. Dobbiamo poter comunicare con essa  ed è necessario che l’energia per alimentare la strumentazione venga prodotta a bordo. Non abbiamo ancora risposte esaustive per queste necessità, sebbene siano già  disponibili soluzioni parziali nel campo dei LED, delle comunicazioni ottiche, dei generatori miniaturizzati a radio isotopi, e nanobot che usano precessi chimici e biologici. Anche senza sapere che forma prenderanno, noi scommettiamo che questi miglioramenti tecnologici rappresenteranno il modo migliore per estendere la presenza umana aldilà del Sistema Solare.

Il richiamo del volo interstellare non deve essere sottovalutato sia che la vita extra terrestre venga trovata nel nostro Sistema Solare o meno, gli Uomini vogliono capire qual’è il loro posto nell’universo. La straordinaria varietà di esopianeti ha stimolato il desiderio di trovare ed esplorare mondi abitabili che potrebbero ospitare forme di vita evolutesi independentemente da quelle terrestri.
La vastità dello spazio intimidisce, e il volo interstellare può sembrare tanto lontano dalle possibilità della nostra generazione quanto lo era il volo aerodinamico da quella di Da Vinci. Pensare in piccolo comunque può portare la vastita dell’universo alla nostra portata e la nanoastronave può estendere virtualmente la conoscenza umana in altri Sistemi Solari.

traduzione di ROBERTO FLAIBANI

Titolo originale: “Stepping Lightly to the Stars“, pubblicato su The Planetary Report vol.32, #1

Autori: Louis Friedman,  Tom Heinsheimer e Darren Garber

25 giugno 2012 Posted by | Astrofisica, Astronautica, Scienze dello Spazio, Volo Interstellare | , , , , , , , , | Lascia un commento

LightSail, la vela solare antesignana del volo interstellare

Nel video: Louis D. Friedman, direttore tecnico del Progetto LightSail, fa da guida nel laboratorio dove si costruisce il veicolo spaziale.

Archiviato il grande successo di Ikaros, e in attesa di informazioni su Ikaros-2, si riaccende l’interesse a proposito di LightSail, l’altro progetto di vela solare in fase di avanzata realizzazione. Il lancio della prima delle tre sonde previste è infatti programmato per la prossima primavera.

Ikaros e LightSail non potrebbero essere più diverse. La prima, coi suoi 315 chili di peso, è una vera e propria piattaforma per sperimentare una nuova generazione di tecnologie, materiali e procedure utili allo sviluppo di un inedito sistema di propulsione, un ibrido tra vela solare e motore elettrico a ioni, in grado di muoversi liberamente nell’intero Sistema Solare. LightSail, invece, viene presentata come un prototipo destinato allo studio del puro volo spaziale con vela solare, idealmente un passo avanti nella direzione del volo interstellare con piccoli carichi utili. E infatti la strumentazone installata su LightSail-1 è quella minima indispensabile, quasi esclusivamente dedicata al rilevamento di dati come l’assetto, l’accelerazione, la capacità di manovra, cosicché la sonda, in configurazione completa, dichiara alla bilancia solo 5 chili, meno del 2% di Ikaros. Oltre a questo, ci sono anche altri elementi che marcano la differenza tra Ikaros e LightSail: per esempio il metodo prescelto per eseguire il dispiegamento della vela. A differenza dei Giapponesi, che si affidano alla forza centrifuga generata da un movimento rotatorio impresso al veicolo spaziale, LightSail utilizza un sistema a motore sviluppato presso l’Air Force Research Lab.

Infine va segnalato che, una volta raggiunti gli obiettivi della sua missione principale, LightSail-1 eseguirà ricerche sull’uso della vela solare non in funzione propulsiva, ma come agevolatore nelle operazioni di rientro nell’atmosfera, cioè la tecnologia di Nanosail-D , un progetto NASA per l’eliminazione dell’ingente numero di rottami presente sopratutto nelle orbite basse, che sta creando gravi rischi alla navigazione spaziale.

Fonti:  The Planetary Report nn. 4, 5 – 2010.   Per il video si ringrazia The Planetary Society

22 ottobre 2010 Posted by | Astronautica, Scienze dello Spazio | , , , , | 3 commenti

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

19 luglio 2010 Posted by | Astrofisica, Astronautica, Scienze dello Spazio | , , , , , , , | 5 commenti

Vele solari

L’idea che un’astronave possa muoversi nello spazio interplanetario sospinta unicamente dalla luce del sole, mi ha sempre affascinato. I fotoni, le particelle elementari di cui è composta la luce, colpiscono la superfice riflettente della grande, sottilissima vela a cui la nostra ipotetica astronave è collegata, e generano una lievissima pressione. Lievissima, ma costante nel tempo. E questo, nello spazio dove non c’è atmosfera che provochi attrito, si traduce in una accelerazione continua che permette all’astronave di raggiungere velocità notevolissime, inarrivabili per i razzi a combustibile chimico oggi in uso. Oltre che veloce e senza problemi di rifornimento (il Sole continuerà ad emettere luce per qualche miliardo di anni ancora), la nostra astronave promette d’essere anche manovrabile, mostrando in questo sorprendenti analogie con le barche a vela. Infatti, variando l’inclinazione della vela rispetto al Sole si può influire sulla traiettoria dell’astronave e, prendendo qualche mano di terzaroli (ossia riducendo la dimensioni della vela), si può diminuire la velocità e di conseguenza la distanza dal Sole, e riuscire di fatto a muovere ”controvento”! (nella figura in alto, Cosmos-1)

Ovviamente, una vela solare funzionerà meglio dove è più intensa la radiazione elettromagnetica del Sole, e presumibilmente al di là dell’orbita di Giove le sue prestazioni cominceranno a diminuire. Il problema potrebbe essere risolto illuminando la vela dalla Terra con un raggio laser molto potente e preciso, che fornirebbe la spinta mancante. Ciò renderebbe possibile l’esplorazionne dei pianeti esterni e della Nube di Oort, e perfino il volo interstellare in un lontano futuro. Purtroppo con l’attuale tecnologia non possiamo ancora costruire un simile laser, ma piccole vele sperimentali sono invece alla nostra portata, anzi il via alle prime due missioni sarebbe imminente. Ma non si tratta di iniziative dell’ESA o della NASA, come ci si potrebbe aspettare, bensì dell’Agenzia Spaziale Giapponese e della Planetary Society, un ente privato con associati in tutto il mondo. La vela giapponese “Ikaros” dovrebbe partire con lo stesso vettore del Venus Orbiter “Akatsuki” entro maggio, ma non ho trovato conferme alla notizia. (Nella figura in mezzo: Ikaros)

Il progetto della Planetary Society, invece, si chiama “LightSail” e prevede tre missioni indipendenti , realizzate con sonde dotate di una piccola vela di 20 mq. Le prime due saranno voli di collaudo, mentre con la la terza si tenterà di raggiungere il Punto di Librazione Terra-Sole L2, da dove la sonda monitorerà le tempeste solari. Il progetto “LightSail” è diretto da Louis Friedman, uno dei maggiori esperti mondiali del settore. Per Friedman si tratta del terzo tentativo di far volare un simile veicolo. Nel lontano 1977 lavorava alla NASA ed era responsabile del progetto di una sonda a vela solare che avrebbe dovuto raggiungere la Cometa di Halley. Nel 2005 in qualità di Executive Director della Planetary Society, aveva dovuto assistere al fallimento della missione “Cosmos 1″ dovuto al malfunzionamento del lanciatore, un missile balistico di fabbricazione sovietica, modificato per l’occasione. Ancora non si sa nulla di preciso sul vettore prescelto, né sulla data del lancio di LightSail-1. Speriamo che arrivi la volta buona! (Nella figura in basso: Lightsail)

29 aprile 2010 Posted by | Astronautica, Scienze dello Spazio | , , , , | 3 commenti

   

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