Il Tredicesimo Cavaliere

Scienze dello Spazio e altre storie

Dopo Ikaros, dove? La rincorsa di ESA e NASA

All’inizio degli anni 2000 la NASA era seriamentte impegnata nello sviluppo di un sistema di propulsione a vela solare. Due progetti erano in competizione, uno a cura dell’ATK Space Systems, e l’altro a cura di L’Garde Inc. Le specifiche del sistema da costruire erano le seguenti: la vela doveva avere forma quadrata, almeno 20 metri di lato, con una struttura centrale da cui dipartivano quattro bracci estendibili di supporto alla vela. Furono costruiti due prototipi che superarono tutti i test ai quali vennero sottoposti, tra cui il completo dispiegamento della vela in ambiente terrestre (cioè con gravità e pressione dell’aria) molto diverso da quello dove avrebbero dovuto operare, cioè lo spazio extra-atmosferico. Ambedue i progetti erano inoltre adattabili per vele molto più grandi, fino a 150 metri di lato. Poco dopo il termine dei test di terra, la NASA smise di finanziare l’intera iniziativa, ma per non gettar via i 30 milioni di dollari spesi fino a quel momento, finanziò un progetto per un sistema minore, NanoSail-D (nella figura). Si tratta di un sistema che usa una piccola vela solare come “freno” per provocare l’uscita da un’orbita bassa e il conseguente rientro nell’atmosfera del veicolo spaziale a cui è applicato. Tale dispositivo andrebbe attivato a fine missione o in caso di guasti irreparabili, contribuendo in modo significativo al contenimento della quantità di spazzatura spaziale in orbita intorno al pianeta. Il primo NanoSail-D avrebbe dovuto essere portato in orbita con il Falcon-1, che però, com’è noto, andò distrutto sulla rampa di lancio. Un secondo NanoSail-D è previsto in partenza nell’autunno di quest’anno. A quanto pare, nessun altro progetto relativo alle vele solari è attivo a tutt’oggi presso la NASA.

L’ESA invece stringe i tempi: il progetto GeoSail, una volta arrivato al livello di “studio tecnologico di riferimento”, è stato bloccato, almeno temporaneamente, a favore di un nuovo progetto chiamato “Gossamer”, che verrà realizzato in collaborazione con DLR, l’agenzia spaziale tedesca, in base ad un accordo raggiunto nel novembe 2009. E’ prevista la costruzione di una serie di veicoli a vela solare, la cui caratteristica principale è di non trasportare nessuno carico utile, trattandosi di un esperimento volto esclusivamente a dimostrare la completa affidabilità della vela solare come strumento di propulsione. Il progetto si articola in tre fasi:

  • nel 2013, dispiegamento in orbita bassa di una vela di metri 5×5, in Kapton da 7,5 micron, del peso di 24 chili, coperta su ambedue le facce da una pellicola d’alluminio da 100 micron

  • nel 2014, dispiegamento in orbita bassa di una vela di metri 20×20, test di assetto e di modifica dell’orbita

  • nel 2015, dispegamento in orbita alta di una vela di metri 50×50, accurati test di assetto e di modifica dell’orbita

Le informazioni qui riportate sono agli atti del ISSS2010, ossia il secondo congresso internazionale sulla propulsione a vela solare, tenutosi a New York nel luglio scorso. Le relazioni presentate sono numerose e molto interessanti, ce ne occupereremo ancora, tra breve.

6 agosto 2010 Posted by | Astronautica, Scienze dello Spazio | , , , | Lascia un commento

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

Ikaros ce l’ha fatta!

JAXA, l’Agenzia Spaziale Giapponese ha rilasciato un comunicato stampa ufficiale per confermare il pieno dispiegamento della vela solare di Ikaros . E’ inziata anche la produzione di energia elettrica generata da una speciale “pellicola fotovoltaica” che copre parte della vela. Prime fotografie.

11 giugno 2010 Posted by | Astronautica, Scienze dello Spazio | , | 4 commenti

Mentre Ikaros vola verso il Sole, a terra Lightsail accumula ritardi

Ikaros, una volta imboccata la traiettoria che lo porterà prima nelle vicinanze di Venere e poi in orbita solare, ha iniziato i preliminari per il dispiegamento della vela nello spazio. Se la delicatissima manovra avrà buon esito, ciò basterà per considerare l’intera missione come un successo parziale. Il primo passo è stato mettere in posizione le quattro aste di ancoraggio della vela. Il dispiegamento vero e proprio, ottenuto sfruttando l’energia centrifuga generata dal moto rotatorio imposto alla sonda, sarà ultimato entro la fine del mese corrente.

Mentre nel team di Ikaros si respira un’aria di frizzante ottimismo, Lightsail-1, ”l’altra” vela solare, è ancora ferma a terra e accumula ritardi su ritardi: qualche giorno fa la data di lancio presunta è stata rinviata per l’ennesima volta, ora si parla infatti del secondo trimelstre 2011. Il problema è sempre il solito: è difficile trovare un lanciatore affidabile, in grado di trasportare Ligthsail-1 in quell’orbita alta dove una vela solare dovrebbe operare al meglio. Ma le orbite alte sono le più costose da raggiungere e quindi raramente frequentate e Lightsail-1, un gioiello di nanotecnologia che una volta assemblato peserà solo pochi chilogrammi, sarà classificato come “carico utile secondario”, e dovrà condividere tanto il lanciatore che l’orbita di un “primario”. Certo, anche Ikaros è stato lanciato come “secondario” di Akatsuki, ma ambedue le sonde erano state progettate e costruite su incarico della JAXA. Nate, insomma, per essere lanciate insieme, mentre Lightsail-1, com’è noto, è un progetto della Planetary Society, una sorta di ONG dello Spazio, con un proprio programma di ricerca, autonomo e autofinanziato. Essere un outsider conferisce alla Planetary Society libertà d’azione in ogni campo, ma a un costo assai elevato, se vogliamo interpretare in questo senso le difficoltà nel reperire per Lightsail-1 un lanciatore decente.

Certo non come il Volna russo, il cui malfunzionamento causò nel 2005 la perdita di Cosmos-1, il predecessore di Lightsail. Un evento che molti ricordano, mentre temo che pochi conoscano i risultati dell’inchiesta ufficiale sull’accaduto: “In precedenza i missili Volna avevano avuto problemi simili. Un miglioramento era stato eseguito allora su alcuni di essi, ma sfortunatamente non su quello assegnato a noi, e tanto disinteresse non ci ha fatto certo piacere – si commentò all’epoca negli ambienti della Planetary Society – Non useremo mai più un Volna. Abbiamo imparato la lezione, ed è stata davvero una di quelle dure.”

5 giugno 2010 Posted by | Astronautica, Scienze dello Spazio | , , , | Lascia un commento

I segreti di Ikaros

Il 17 maggio prossimo, intorno alle 22 (ora di Roma) dal Tanegashima Space Center, in Giappone, verrà lanciato il Venus Climate Orbiter.  Ma “Akatsuki”,  così è stata ribatezzata la sonda, avrà un illustre compagno di viaggio: Ikaros, il primo veicolo spaziale destinato  ad operare fuori dal campo gravitazionale terrestre grazie ad una vela solare. Per il primo mese, Akatsuki e  Ikaros procederanno sulla stessa rotta decelerando verso Venere, poi Ikaros aprirà la vela e proseguirà nella sua traiettoria intorno al Sole, mentre Akatsuki continuerà a decelerare fino a entrare  in orbita venusiana.

Quella di Ikaros è sostanzialmente una missione di collaudo. Il primo test consisterà nel dispiegamento della vela, un quadrato di 14 metri di lato, fino ad allora rimasta accuratamente ripiegata attorno al corpo centrale del veicolo. Si tratta di un’operazione delicatissima che verrà realizzata imprimendo alla sonda un movimento rotatorio. La forza centrifuga così generata farà prima srotolare la vela nello spazio, e poi la manterrà ben distesa, evitando il formarsi di pieghe o increspature, che ne  potrebbero ridurre le prestazioni.

Il secondo test riguarderà i materiali. La vela, infatti, dovrà resistere alle sollecitazioni meccaniche dovute al suo stesso utilizzo, alle temperature  estreme e alle enormi e repentine escursioni termiche che si verificano nello spazio, e infine all’incessante bombardamento di ogni tipo di radiazioni provenienti dal Sole. Per affrontare questo ambiente estremo, i  Giapponesi hanno deciso di realizzare la vela utilizzando una pellicola in resina poliammide spessa meno di 10 micron. Va segnalato che il Giappone controlla attualmente la fetta più grossa  del mercato di quel maateriale. Inoltre, un lato della vela è stato trattato con vapori di alluminio,  ottenendo così una superfice altamente riflettente. Ma non basta: un’altra porzione della vela è ricoperta da una pellicola ultrasottile a celle solari, capace cioè di generare elettricità tramite effetto fotovoltaico. Chissà che impatto avrebbe sul mercato dell’energia la produzione di un simile materiale, in quantità industriali e a  prezzi competitivi!

Il terzo test riguarda l’astronavigazione, ossia la capacità della vela di influire sul moto della  navicella: accelerare, decelerare, cambiare direzione, eccetera. A questo scopo, Ikaros monta due sistemi differenti. Il primo non è che un tradizionale motore a getto alimentato a gas, che consente di orientare opportunamente la vela rispetto alla posizione del Sole, e raggiungere così un’ampia capacità di  manovra, un po’ come i marinai della Terra orientano le vele rispetto alla direzione del vento. Il secondo sistema è invece del tutto diverso: è alimentato ad energia solare e usa una tecnologia che consente di opacizzare alcune parti della vela piuttosto che altre, ottenenendo così il controllo dell’orientamento della vela stessa.

Insomma, tanto di cappello agli ingegneri e agli scienziati del Sol Levante: se la missione  Ikaros andrà bene, passeranno alla storia come i pionieri di una tecnologia che rivoluzionerà l’astronautica.

Fonte: Jaxa

11 Mag 2010 Posted by | Astronautica, Scienze dello Spazio | , | Lascia un commento

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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