Integrata la vela solare che partirà con SLS

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La vela in fase di test al Marshall. Credits: NASA.

Negli ultimi mesi il Kennedy Space Center è stato un luogo sotto i riflettori soprattutto per i lavori di completamento, all’interno del Vehicle Assembly Building, dello Space Launch System, il vettore pesante di NASA che sarà un tassello fondamentale per il programma Artemis, dopo il suo arrivo sulla chiatta Pegasus all’inizio di maggio.

Nonostante per gli appassionati e addetti ai lavori il decollo di SLS rappresenti il culmine di oltre dieci anni di lavori, per alcuni team scientifici è l’occasione di assistere alla partenza dei propri esperimenti installati sul vettore. All’interno dell’Orion Stage Adapter sono infatti presenti 13 accomodamenti per altrettanti payload, che verrano rilasciati dopo la separazione della capsula Orion.

Tre provengono da partner internazionali: ArgoMoon, l’unico europeo e costruito dalla italiana Argotec, che scatterà foto dell’Interim Criogenic Propulsion Stage e verificherà le condizioni di operatività attorno a esso, e i giapponesi OMOTENASHI (Outstanding MOon exploration TEchnologies demonstrated by NAno Semi-Hard Impactor), che dimosterà la tecnologia necessaria a satelliti piccoli ed economici di esplorare la superficie lunare, e EQUULEUS (EQUilibriUm Lunar-Earth point 6U Spacecraft), che misurerà la distribuzione del plasma attorno alla Terra e l’utilizzo di tecniche di controllo della traiettoria a basso consumo energetico.
NASA ha poi selezionato Skyfire di Lockheed Martin per sviluppare un cubesat che effettuerà un flyby lunare con lo scopo di ottenere altri dati della superficie selenica, e Lunar IceCube dell’Università di Morehaed in Kentucky per la ricerca di ghiacci lunari da un’orbita a soli 100 km di altezza.

Il Science Mission Directorate ha scelto CuSP, una “stazione meteo spaziale” per misurare le particelle e i campi magnetici nello spazio e LunaH-Map, per mappare l’idrogeno all’interno di crateri e regioni del polo sud lunare perennemente in ombra.
Per concludere, lo Human Exploration and Operations Mission Directorate ha scelto BioSentinel, che misurerà per la prima volta l’impatto a lungo termine dello spazio profondo sulla genetica di organismi viventi, Lunar Flashlight, che ricercherà depositi di risorse utili per una futura base lunare, e NEA Scout, che effettuerà una ricognizione di un asteroide, fotografandolo e osservando la sua posizione nello spazio.

È proprio quest’ultimo che è stato recentemente assicurato all’interno dell’OSA in attesa del lancio, attualmente previsto per novembre 2021.

Caratteristiche

Come tutti gli altri payload a bordo, NEA Scout è CubeSat 6U (10 cm × 20 cm × 30 cm) e con una massa di 14 kg. La struttura è costituita da tre bobine stampate in 3D: una oblunga che contiene il materiale della vela, un film di plastica rivestito di alluminio più sottile di un capello umano (2,5 µm di spessore), e altre due bobine più piccole, ciascuna contenente i sostegni della vela stessa. La superficie complessiva è di 86 m² e sarà il primo CubeSat americano a sfruttare la propulsione solare al di fuori dell’orbita bassa terrestre: questa scelta consente un notevole risparmio di massa, a scapito però di tempi più lunghi per il raggiungimento di velocità elevate, risultando così il candidato ideale per sonde piccole e leggere.

Il meccansimo di ripiegamento non è mai stato utilizzato in precedenza per una vela solare: il materiale è richiuso come una fisarmonica e si srotola come un papillon mentre i bracci si estendono. L’energia, che viene stoccata all’interno di due batterie ricaricabili al litio, è fornita da due pannelli solari dispiegabili; l’assetto è mantenuto da dei sistemi RCS a freddo, da alcune ruote di reazione, da uno star tracker e un sensore solare, mentre le comunicazioni avvengono con il sistema di transponder IRIS, un paio di antenne a basso guadagno e un’antenna a medio guadagno. Infine la fotocamera è da 20 Mpx con un sensore CMOS da 3840 × 3840 pixel.

Missione

L’obiettivo della missione sarà effettuare un flyby a bassa velocità (10–20 m/s) e bassa quota (1 km di altezza) di un asteroide che orbita vicino alla Terra (Near Earth Asteroid), permettendo di ricavare informazioni sulle proprietà fisiche come orbita, forma, volume, rotazione, caratteristiche della superficie e della zona di polveri e detriti attorno a esso. L’asteroide, che ha un diametro inferiore a 100 metri, sarà il primo di questa classe a essere studiato direttamente da una sonda. Per fare un confronto, l’asteroide Bennu, oggetto di studio e di prelevamento di campioni da parte di OSIRIS-REx, e Ryugu, perforato dalla sonda giapponese Hayabusa, avevano un diametro di circa 500 e 900 metri.

Contattata per rispondere ad alcune domande, la Principal Investigator di NEA Scout Julie Castillo-Rogez ha fornito anche qualche dettaglio aggiuntivo sulla missione. In merito alle difficoltà incontrate nello sviluppo, ricorda come «quando la missione fu selezionata nel 2013, i sottosistemi per i CubeSat destinati a missioni nello spazio profondo fossero ancora poco sviluppati. Da questo si rese necessario il loro sviluppo ex novo (così è successo per il computer di bordo), ma anche la definizione di procedure ottimali per l’integrazione e il test delle missioni di classe D dirette oltre l’orbita bassa terrestre. Ovviamente il lavoro è stato considerevole, ma alla fine l’essere stati pionieri in questo ambito è stato veramente eccitante e gratificante». I primi test di impacchettamento e dispiegamento vennero svolti nel 2016 presso il Marshall Space Flight Center di Huntsville, in Alabama: utilizzando materiali provenienti da altri programmi venne costruita una vela grande la metà (36 m²) di quella che poi sarebbe stata diretta effettivamente nello spazio. Si rese necessario anche l’utilizzo della Flat Floor Facility del Marshall, la superficie più piatta al mondo, per simulare, espellendo getti di aria attraverso piccoli fori, le condizioni di gravità che avrebbe incontrato la sonda.

La vela solare di NEA Scout completamente dispiegata. Credits: NASA

Castillo-Rogez prosegue indicando come «uno dei problemi principali con i continui rinvii della missione Artemis 1, in precedenza nota come Exploration Mission-1, è stato la mancanza di obiettivi accessibili. Fortunatamente, però, nel corso degli ultimi 5 anni la capacità di individuazione degli asteroidi nelle vicinanze terrestri è migliorata sensibilmente, permettendo di individuare prima 1991 VG ed in seguito 2020 GE. Una delle differenze tra i due obiettivi è la distanza rispetto alla Terra del flyby: per il secondo 0,2 UA, poco meno di 30 milioni di chilometri, e 1 UA, circa 150 milioni di chilometri, per il primo; questa sostanziale differenza ha permesso di abbassare i requisiti per le comunicazioni, che, considerate le ridotte dimensioni di massa e dimensione, hanno impattato positivamente sulla missione». Tuttavia, il flyby di 2020 GE sarà anche l’unico che la sonda effettuerà: «attualmente infatti non sono previste estensioni della missione», che potrebbero portare NEA Scout a visitare altri asteroidi o oggetti del Sistema Solare.

Ingegneri al lavoro per l’integrazione di NEA Scout. Credits NASA

Alla domanda sul futuro delle vele solari e delle innovazioni che questa missione porterà, Castillo-Rogez menziona «Solar Cruiser (una sonda con una vela 16 volte più grande e il cui volo è previsto nel 2025), di cui NEA Scout è un precursore», ma anche la missione «SPARCS, che sfrutterà anch’essa una fotocamera 0,5 U dalla duplice funzione scientifica e di navigazione, una scelta economica e dalla possibilità di plug and play». NEA Scout sarà anche «dimostratore end-to-end per l’analisi, la prioritizzazione dei dati scientifici e del processamento delle immagini e la loro estrazione direttamente in orbita, con possibili ricadute su missioni future, dirette per esempio verso il Sistema Solare esterno, che presentano molti vincoli» in termini di massa, banda a disposizione e budget. La necessità dell’analisi a bordo delle immagini ha portato allo sviluppo e alla definizione di un nuovo computer, che date le dimensioni contenute potrebbe giocare un ruolo fondamentale sulle missioni future, di qualsiasi classe.

Infine, in merito a possibili altri materiali candidati a essere impiegati sulla vela solare, la scelta è stata dettata dal fatto che quelli a bordo di «Nanosail-D, la missione precedente a NEA Scout e su cui si basa, hanno performato bene e sono stati quindi subito scelti».

Piani futuri per le vele solari

Le vele solari di prossima generazione sono già allo studio da parte di NASA, che sta sviluppando nuove strutture di dispiegamento e materali per questo tipo di missioni particolarmente economiche. Non prima del 2022 partirà Advanced Composite Solar Sail System (ACS3), costruita in materiali compositi, che fungerà da apripista per la prossima generazione di vele solari, i cui impieghi potranno spaziare da sentinelle del meteo spaziale a missioni di ricognizione di asteroidi NEA o ripetitori per missioni umane.

Il punto di forza sarà l’utilizzo di materiali compositi: risultano il 75% più leggeri e 100 volte più resistenti ai cambiamenti di forma dovuti agli sbalzi termici e potranno avere impiego in vele dalle dimensioni ragguardevoli, fino a 500 m², con la possibilità, in futuro, di raggiungere anche i 2.000 m².

Un’illustrazione della vela solare di ACS3 che, completamente dispiegata, raggiungerà i 9 metri di lato, per massimizzare la radiazione solare catturata. Credits: NASA

L’obiettivo primario di ACS3 sarà dimostrare la corretta apertura dei bracci in orbita bassa terrestre: disposti lungo le diagonali di un quadrato, avranno una lunghezza di 7 metri una volta che saranno completamente dispiegati, permettendo alla vela di raggiungere i 9 metri di lato. Un sistema di camere a bordo scatterà foto per monitorare la forma della vela e il suo allineamento, assieme al dispiegamento nominale dei bracci.

Fonti: NASA (1), NASA (2), NASA (3), NASA (4), NASA (5).

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Matteo Deguidi

Studente di astronomia presso l'Università di Padova, mi intriga e appassiona tutto quello che riguarda le missioni scientifiche e soprattutto le prossime generazioni di telescopi. Considero ISAA come una seconda famiglia, la quale mi ha dato possibilità di accedere ad un mondo di notizie che da tanto ricercavo.