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

 

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