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LightSail 2 la vela solare pronta per il lancio

Per secoli, abbiamo sognato di usare le vele solari per viaggiare nel cosmo. Il 22 giugno dal Kennedy Space Center verrà lanciata LightSail 2, il veicolo spaziale alimentata dalla luce solare. Obiettivo della missione è dimostrare la capacità propulsiva della pressione di radiazione del Sole. E il sogno diventerà realtà.

LightSail 2 navigherà attorno al nostro pianeta utilizzando unicamente la spinta della pressione di radiazione solare sulle vele di cui è dotata. Vele che una volta dispiegate consentiranno al veicolo di mantenere la sua orbita, senza necessità di carburante.

Nonostante le sue piccole dimensioni di pochi metri e un peso pari a 5kg, LightSail 2 porta con sé una grande novità: la sua costruzione è stata finanziata da comuni cittadini, appassionati di astronomia che hanno aderito all’iniziativa della fondazione americana Planetary Society.

Un mese dopo avere dispiegato le sue vele triangolari, la vela solare, spinta dalla luce, dovrebbe raggiungere la quota di 720 chilometri, circa il doppio dell’orbita della Stazione Spaziale Internazionale (Iss).

Se la missione andrà a buon fine LightSail 2 diventerà il primo veicolo spaziale ad aver raggiunto l’orbita prestabilita sfruttando solo della luce solare. Il risultato potrebbe spingere l’utilizzo della tecnologia in future missioni di esplorazione spaziale. Ad oggi sono in corso progetti simili, come loSmall Business Innovation Research della Nasa, che riguarda lo sviluppo di veicoli controllati da remoto e tecnologie per i pannelli solari. Lo scopo del programma è creare tecnologie che possano aiutare l’uomo a vivere sulla Luna e su Marte, nei prossimi anni.

Progetto ancora più ambizioso è quello sviluppato dalla Breaktrhough Initiative, che insieme a Stephen Hawking, ha dato il via all’iniziativa chiamata Breakthrough Starshot che prevede lo sviluppo di miniastronavi ‘a vela’, le Starchip, che spinte dalla luce laserpuntano a raggiungere Proxima Centauri per studiare i suoi pianeti e i campi magnetici in soli vent’anni.

LightSail 2 rappresenta il culmine di un progetto di 10 anni con una storia la cui origine è legata ai tre scienziati che hanno creato, nel 1980, la fondazione. Uno di questi era Carl Sagan,  celebre astronomo e divulgatore scientifico.

«Quarant’anni fa, il mio professore Carl Sagan ha condiviso con me il suo sogno di utilizzare veicoli spaziali dotati di vele solari per esplorare il cosmo» ricorda Bill Nye, Ceo della fondazione. «Carl Sagan, insieme a Bruce Murray e Louis Friedman, fondò la nostra organizzazione per permettere a chiunque nel mondo di promuovere le scienze spaziali e l’esplorazione. Migliaia di persone si sono riunite e hanno sostenuto questa missione, senza di loro non avremmo potuto farcela. Ora siamo pronti per il lancio!».

vela solare
Vele solari per ottenere energia dal sole, un meccanismo legato per raggiungere l’orbita geostazionaria e una base di lancio sulla luna

Principio di funzionamento

Il vento è costituito da innumerevoli particelle di gas che si muovono quasi nella stessa direzione. Quando colpiscono una vela rimbalzano e iniziano a muoversi in un’altra direzione. Questa variazione della quantità di moto per il vento produce un corrispondente cambiamento di quantità di moto per il veicolo per farlo avanzare.

Anche la luce è composta da innumerevoli particelle chiamate fotoni, ognuna con il suo momento. Ogni fotone ha un’energia E e viaggia alla velocità della luce c . Ha anche un momento p dato da:
impulso
Se questi fotoni sono costretti a cambiare direzione allora il loro impulso deve cambiare e il modo più semplice per farlo è usare uno specchio. Tuttavia, gli specchi di vetro sono molto pesanti e la pressione della radiazione solare è molto piccola, solo 4,7 x 10 -6 N m -2 in un’orbita terrestre. Ciò significa che le vele solari dovranno essere molto grandi, centinaia di metri se non chilometri, e quindi di materiali molto leggeri. Una soluzione corrente utilizza un film plastico metallizzato di circa 2 μm di spessore (circa il 4% dello spessore di un capello umano “medio”).

L’uso di vele solari consente di rendere il veicolo spaziale molto più leggero e quindi di poter trasportare carichi più grandi. Come le barche a vela tradizionali, le vele solari non devono semplicemente “correre nella stessa direzione del vento”, possono cambiare rotta inclinando la vela o persino virare controvento per dirigersi verso il sole.

Architettura e specifiche del veicolo spaziale

Il design modulare di LightSail 2 si basa su un CubeSat modulare a tre unità , un piccolo formato satellitare creato per progetti spaziali universitari. Un modulo di dimensioni CubeSat trasporta telecamere, sensori e sistemi di controllo e le altre due unità conterranno e dispiegheranno le vele solari. La navicella contiene quattro vele triangolari, che si combinano per formare una superficie di forma rettangolare. Le vele sono fatte di Mylar , un film di poliestere riflettente.

LightSail 2, vele stese
3-Unit CubeSat
Confronto dimensioni: pagnotta
Dimensioni: 11,3 x 11,3 x 34 cm (4,45 x 4,45 x 13,4 pollici)
Peso: 5 kg (11 libbre)

Vela di luce 2, vele schierato
confronto Dimensione: Ring
materiale Sail: Mylar
Sail spessore: 4,5 micron (1/5000 ° di pollice)
la layout Sail: Quattro vele triangolari che formano un quadrato collegata con bracci d’acciaio cobalto (bracci rilassarsi come misure di nastro)
al microfono Sail lunghezza: 4 m (13 ft)
Larghezza della vela: 5,6 m (18,4 ft)
Superficie velica totale: 32 mq (344 piedi quadrati)

Costruzione pezzo per pezzo della navicella LightSail 2 e le sue manovre nello spazio.

La precedente LightSail 1

Un veicolo spaziale dimostrativo tecnologico, LightSail 1 (precedentemente LightSail-A ), è stato lanciato come carico secondario a bordo di un razzo United Launch Alliance Atlas V alle 15:05 UTC del 20 maggio 2015 dalla stazione di Cape Canaveral Air Force, in Florida. La missione portò il satellite in un’orbita in cui la resistenza atmosferica era maggiore della forza esercitata dalla pressione della radiazione solare. 

Due giorni dopo il lancio, tuttavia, la navicella ha sofferto di un malfunzionamento del software che lo ha reso incapace di dispiegare la vela solare o di comunicare. Il 31 maggio 2015, The Planetary Society ha riferito di aver riacquistato i contatti con LightSail 1. Dopo che i pannelli solari sono stati dispiegati il ​​3 giugno 2015, le comunicazioni con il veicolo spaziale sono state nuovamente perse il 4 giugno. In questo caso si sospettava un guasto al sistema di batterie. Il contatto fu ristabilito il 6 giugno e lo spiegamento delle vele fu iniziato il 7 giugno. Durante una conferenza tenutasi il 10 giugno 2015, dopo aver scaricato le foto dello spiegamento, il volo di prova è stato dichiarato un successo. Il veicolo spaziale è rientrato nell’atmosfera il 14 giugno 2015, terminando il volo di prova.

Di cosa è fatta una vela solare?

Le vele solari attuali sono realizzate con materiali leggeri come Mylar o polyimide rivestiti con un rivestimento riflettente metallico. LightSail 2 utilizza 4 vele triangolari in Mylar con uno spessore di soli 4,5 micron (1/5000 di pollice). Si aprono utilizzando 4 bracci in lega di cobalto che si snodano come misure di nastro. Le vele hanno una superficie combinata di 32 metri quadrati (344 piedi quadrati), circa le dimensioni di un ring di pugilato.

LIGHTSAIL 2
LIGHTSAIL 2 La navicella spaziale LightSail 2 di Planetary Society siede sul tavolo di dispiegamento in seguito a un test di successo di giorno in vita a Cal Poly San Luis Obispo, il 23 maggio 2016.

Quanto velocemente può andare una vela solare?

La velocità della vela solare dipende dalle sue dimensioni e dalla sua massa. Una vela più grande cattura più luce solare, acquisendo più slancio e accelerando più velocemente per la stessa massa. Per una data dimensione della vela, un veicolo spaziale di massa inferiore avrà un’accelerazione maggiore. L’accelerazione dipende anche dalla sua distanza da una fonte di luce e dalla forza della sorgente luminosa. Quando una nave spaziale a vela solare si allontana dal Sole, la quantità di luce solare disponibile diminuisce, il che significa che accelera meno rapidamente. Teoricamente, i potenti laser potrebbero essere puntati su una vela solare lontana, fornendo un’accelerazione extra quando il veicolo spaziale si allontana dal sole.

Per dare un esempio specifico della velocità della vela solare, le vele di 32 metri quadrati di LightSail 2 le accelerano a soli 0,058 mm / s². In un mese di luce solare costante, la velocità della nave spaziale aumenterebbe di 549 chilometri all’ora, approssimativamente la velocità di un aereo di linea a velocità di crociera. In 16 mesi di luce solare costante, la velocità di LightSail aumenterebbe di 8.556 chilometri all’ora, abbastanza veloce da sfuggire al pozzo gravitazionale della luna.

Le vele più grandi o le piccole vele accelerate dai laser potrebbero teoricamente andare molto più velocemente. Nel 2016, il gruppo Breakthrough Initiatives ha annunciato un piano per inviare una flotta di piccole vele solari alimentate a laser alla nostra stella più vicina, Alpha Centauri. L’astronave sarebbe mirata nello spazio dai laser terrestri e accelera fino al 20 percento la velocità della luce.

Quanto deve essere grande una vela solare?

In teoria non esiste una dimensione minima per una vela solare, ma per la stessa nave spaziale di massa, le vele più grandi cattureranno più luce solare e accelereranno più rapidamente la navicella spaziale. Una squadra della NASA negli anni ’70, guidata dal co-fondatore della Planetary Society Louis Friedman, propose una vela solare con una superficie di 600.000 metri quadrati (6,5 milioni di piedi quadrati), che sarebbe stata usata per inviare un veicolo spaziale al rendez – vous con la cometa di Halley . Questo è equivalente a un quadrato di 800 metri (mezzo miglio) per 800 metri – la dimensione di 10 blocchi quadrati a New York City! Certo, la praticità di costruire e dispiegare una vela così enorme è discutibile. Ma se una tale vela potesse essere sviluppata con successo, si potrebbero raggiungere mete sorprendenti.

LIGHTSAIL 1
LIGHTSAIL 1 Questa immagine è stata catturata da una telecamera a bordo di LightSail 1 l’8 giugno 2015, poco dopo lo spiegamento della vela solare. È stato corretto dal colore da Dan Slater per rimuovere la tinta violacea artificiale della fotocamera basata su immagini di prova a terra ed è una approssimazione più vicina a ciò che l’occhio umano vedrebbe

Perché vogliamo le vele solari? Dove ci porteranno le vele solari?

La cosa più eccitante delle vele solari è che potrebbero aprire nuove strade alla scienza spaziale e all’esplorazione. Un veicolo spaziale a propulsione navale solare potrebbe raggiungere pianeti e sistemi stellari distanti molto più rapidamente di un veicolo spaziale a propulsione a razzo a causa della continua accelerazione che la navigazione solare offre. La tecnologia per la navigazione solare interplanetaria o interstellare è ancora lontana dall’essere sviluppata, comunque.

Nel breve termine, la vela solare può anche essere utilizzata efficacemente per altre classi di missioni, tra cui il monitoraggio solare, i flybys multi-oggetto e il veicolo spaziale “pole-sitting” per osservazioni continue delle regioni polari della Terra o di un altro oggetto.

Le vele solari possono anche fornire propulsione a CubeSats, piccoli satelliti economici che vengono sempre più utilizzati da nazioni emergenti, piccole imprese e persino gruppi scolastici, permettendo loro di manovrare nello spazio senza fare affidamento sul carburante per razzi. La missione LightSail della Planetary Society sta dimostrando il potenziale utilizzo di vele solari per CubeSats.

Quanto può portare un carico utile una vela solare?

La metrica chiave per le prestazioni della vela solare è il rapporto area-massa, o A / m. Fondamentalmente, la spinta che la tua navicella prende dalla luce solare dipende dalla relazione tra l’area della vela e la massa del veicolo. Maggiore è il rapporto A / m, meglio è. IKAROS, la vela solare giapponese lanciata nel 2010, ha un rapporto A / m di 1,3. LightSail 2, che pesa meno di 5 chilogrammi, ha prestazioni leggermente migliori, con un rapporto di 7.

Per grandi carichi utili, hai bisogno di vele di grandi dimensioni. Alla fine degli anni ’70, la NASA progettò due vele solari che avrebbero visitato la cometa di Halley con carichi utili di 1 metro metrico, collocandoli sull’ordine della sonda New Horizons che visitò Plutone. Un disegno, una vela quadrata, misurava 850 metri per lato, dandogli un’area di 0,7 chilometri quadrati. Un secondo progetto, chiamato eliogio, assomigliava a due ventilatori a soffitto impilati uno sull’altro e aveva lame larghe 8 metri, lunghe 6,2 chilometri ciascuna.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Veicolo spaziale potenziato da “Light Sails” impostato per il lancio a bordo di SpaceX Falcon Heavy Rocket . Aristos Georgiou, Newsweek
  2. “LightSail” . The Planetary Society . Estratto il 29-03-2013 .
  3. Antczak, John (9 novembre 2009). “Dopo la delusione, il progetto della vela solare si rialza” . MSNBC . Associated Press.
  4. The Planetary Society, http://www.planetary.org

 

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