La prevenzione dei danni da radiazioni per i voli spaziali

Tutte le componenti elettroniche di una missione spaziale sono sottoposte a molteplici test che simulano gli ambienti in cui dovranno operare

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zona di test per gli effetti delle radiazioni sui componenti elettronici delle navicelle spaziali

In una stanza piccola e quadrata, con pareti dallo spessore di un metro e venti di cemento, l’aria odora come se fosse appena passata una tempesta di fulmini – nitida e acre, l’odore di un fulmine che fa a pezzi l’ossigeno nell’aria, che si mescola all’ozono. Questa sala si trova Sotto terra, l’odore dell’ozono vi indugia a lungo dopo l’effettuazione di test con radiazioni ad alta energia. Sono le radiazioni che gli ingegneri usano per testare l’elettronica che viene impiegata nei voli spaziali, così potenti da scindere le molecole di O2 della stanza.

Qui, ogni parte di ogni strumento NASA destinato al volo spaziale passa attraverso i test per garantire che possa sopravvivere nello spazio. Non è facile essere un veicolo spaziale; attraverso lo spazio sfrecciano particelle invisibili ed energetiche, così poche che lo spazio viene considerato vuoto, ma sono piccole particelle che possono devastare l’elettronica che inviamo nello spazio.

Mentre la NASA esplora lo spazio profondo, fino ai confini del sistema solare, i test anti radiazioni diventano sempre più cruciali. La Radiation Effects Facility, ospitata dal Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland, aiuta a ispezionare l’hardware che consente alla NASA di esplorare la Luna, il Sole e tutto il nostro sistema solare, dalle missioni che cercano di comprendere gli inizi dell’universo fino al nuovo programma Artemis per il ritorno di esseri umani sulla Luna.

Saremo in grado di garantire che gli esseri umani, l’elettronica, i veicoli spaziali e gli strumenti – tutto ciò che stiamo effettivamente inviando nello spazio – sopravvivranno nell’ambiente in cui dovranno operare“, spiega Megan Casey, un ingegnere aerospaziale del Gruppo che studia e analizza gli effetti delle radiazioni al Goddard.

Le condizioni esatte che un veicolo spaziale incontra dipendono da dove è diretto, quindi gli ingegneri testano attentamente e selezionano le parti adattate alla destinazione di ogni veicolo spaziale. Il campo magnetico terrestre, ad esempio, intrappola sciami di particelle in due bande a forma di ciambella chiamate cinture di irradiazione. Anche altri pianeti hanno cinture di irradiazione, ad esempio Giove, le cui cinghie sono 10.000 volte più forti di quelle della Terra. Generalmente, più si va vicino al Sole, più pesante è l’effetto delle particelle solari, un effetto noto come vento solare. inoltre, , particelle espulse nello spazio da lontane stelle esplose, possono essere incontrati ovunque.

Anche il tempismo è un fattore determinante. Il Sole attraversa cicli naturali di 11 anni, oscillando da periodi di attività alta ad attività meno intesa. Nella relativa calma del minimo solare, i raggi cosmici si infiltrano facilmente nel campo magnetico del Sole, scorrendo attraverso tutto il . D’altra parte, durante il massimo solare, i frequenti brillamenti del Sole saturano lo spazio con particelle ad alta energia.

In base a dove vogliamo mandare una sonda o una navicella informiamo i progettisti delle  missioni su come sarà l’ambiente spaziale in cui dovranno operare e loro, dopo le varie analisi, ci fanno sapere se gli strumenti sopravviveranno o meno in quell’ambiente e per quanto tempo. Se la risposta resta indeterminata si passa ad  ulteriori test, è la stragrande maggioranza del nostro lavoro“. Continua la Casey.

Il centro di studio delle radiazioni del Goddard, insieme alle strutture partner in tutti gli Stati Uniti, è in grado di imitare tutta la gamma delle radiazioni spaziali, dall’azione costante del vento solare alle fasce incandescenti di radiazioni fino all’azione brutale dei brillamenti solari e dei raggi cosmici.

Come la NASA prepara i veicoli spaziali per la radiazione dello spazio
Le cinture di radiazione terrestre sono piene di particelle energetiche intrappolate dal campo magnetico terrestre che possono devastare l’elettronica che inviamo nello spazio. Credito: Scientific Visualization Studio della NASA / Tom Bridgman

Gli effetti delle radiazioni spaziali

Gli ingegneri usano modelli computerizzati per determinare quale sarà la destinazione di una nave spaziale – quanta radiazione incontrerà lì – e quali tipi di test saranno necessari per replicare quell’ambiente in laboratorio.

La radiazione è energia sotto forma di onde o particelle minuscole e subatomiche. Per le navicelle spaziali, la preoccupazione principale è la radiazione fatta particelle. Questa radiazione, che comprende sia protoni che elettroni, può influenzare la loro elettronica in due modi.

Il primo tipo, noto come effetti di un singolo evento, sono minacce immediate: esplosioni veloci di energia quando una particella solare o raggio cosmico penetra attraverso un circuito. “Le particelle altamente energetiche scaricano energia nell’elettronica“, dice Clive Dyer, un ingegnere elettronico del Centro Spaziale dell’Università del Surrey in Inghilterra. “Gli effetti di un singolo evento possono incasinare i computer, mescolando i dati in codice binario“.

Molte astronavi sono equipaggiate per riprendersi dall’incontro con le particelle. Ma alcuni eventi possono sconvolgere il funzionamento del veicolo spaziale, influenzando i sistemi di comunicazione o di navigazione e causando arresti anomali del computer. In alcuni casi il risultato può essere catastrofico. Anni fa, i computer portatili degli astronauti sullo Shuttle si schiantarono mentre attraversavano un’area particolarmente carica di radiazioni. Ora, il telescopio spaziale Hubble della NASA spegne preventivamente i suoi strumenti scientifici quando attraversa quella regione.

Poi, ci sono effetti che peggiorano col tempo. Le particelle cariche possono accumularsi sulla superficie di un veicolo spaziale e accumulare cariche nel giro di poche ore. Proprio come camminare attraverso una stanza rivestita di moquette e girare una manopola di metallo, si innesca una carica di elettricità statica che può danneggiare elettronica, sensori e pannelli solari. Nell’aprile 2010, questa cosa disabilitò i sistemi di comunicazione del satellite Galaxy 15, mandandolo alla deriva per otto mesi.

I veicoli spaziali devono combattere con le radiazioni per tutta la loro vita. Le radiazioni a lungo termine deteriorano il materiale, riducendo gradualmente le prestazioni dello strumento. Anche le radiazioni relativamente miti possono degradare i pannelli solari e i circuiti.

Nascosti in una stanza adiacente, a distanza di sicurezza dalle radiazioni, gli ingegneri della struttura di test eseguono la pelt dei componenti dello strumento con un mix di particelle energetiche, alla ricerca di segni di debolezza.

Generalmente, gli effetti dei loro test non sono visibili. Un salto di temperatura o corrente elettrica potrebbe indicare che una singola particella ha colpito un circuito. D’altra parte, durante i test a dose totale, gli ingegneri osservano un degrado lento e aggraziato, un effetto collaterale del viaggio nello spazio in cui la maggior parte delle missioni può essere effettuata, dato che durerebbe abbastanza per completare i suoi obiettivi scientifici.

Come la NASA prepara i veicoli spaziali per la radiazione dello spazio
Un acceleratore di particelle presso la Radiation Effects Facility lancia particelle ad alta energia sugli strumenti, imitando il vento solare o i raggi cosmici galattici. Credito: Goddard Space Flight Center della NASA / Genna Duberstein

Il caso peggiore capita quando un evento singolo provoca un effetto distruttivo che provoca un fallimento catastrofico perché uno strumento va in corto“, spiega Casey. “È una brutta notizia per la missione, ma per noi è, tutto sommato, divertente effettuare questi test.

Resistere alla tempesta di radiazioni

Quindi, in che modo gli ingegneri proteggono il veicolo spaziale dai pericoli costanti della radiazione spaziale? Una tattica consiste nel costruire parti indurite contro le radiazioni dalle loro stesse basi. Gli ingegneri possono selezionare determinati materiali che sono meno sensibili agli attacchi di particelle o alla ricarica.

I progettisti di veicoli spaziali fanno affidamento sulla schermatura per difendere i loro strumenti dagli effetti a lungo termine. L’alluminio stratificato o il titanio rallentano le particelle energetiche, impedendo loro di raggiungere componenti elettronici sensibili. “In questo momento, assumiamo che tutte le missioni avranno uno spessore di schermatura – quanto sono spesse le pareti della nave spaziale o dello strumento – di circa un decimo di pollice“, ha detto Casey.

Dopo i test, gli ingegneri formulano raccomandazioni specifiche per la schermatura se l’ambiente lo richiede. La schermatura aggiunge massa e peso, il che aumenta il fabbisogno ed i costi del carburante, quindi gli ingegneri preferiscono sempre utilizzare il minimo possibile. “Se siamo in grado di migliorare i nostri modelli e perfezionare l’analisi delle radiazioni, forse possiamo ridurre lo spessore delle pareti“, ha detto.

Raccogliere osservazioni da una vasta gamma di ambienti spaziali è un passo fondamentale nel miglioramento dei modelli. “Il perfezionamento dei nostri modelli di radiazione spaziale ci aiuta a migliorare la scelta dei dispositivi“, ha dichiarato Michael Xapsos, membro del Project Scientist Team di missione NASA dello Space Environment Testbeds, dedicata allo studio degli effetti delle radiazioni sull’hardware. “Con più dati, gli ingegneri possono fare migliori compromessi tra rischio, costi e prestazioni nei dispositivi elettronici che scelgono.”

Le particelle più energetiche sono impossibili da evitare, anche con schermature pesanti. Dopo aver testato gli effetti di un singolo evento, gli ingegneri calcolano una previsione per la frequenza con cui questo può verificarsi. Può essere, per esempio, che una nave spaziale ha la possibilità subire di un attacco di particelle una volta ogni 1.000 giorni. Si tratta di eventi isolati che possono verificarsi nel primo giorno di un satellite nello spazio come nel suo millesimo giorno, e spetta ai progettisti delle missioni decidere quale rischio sia tollerabile.

Una strategia comune contro gli effetti di un singolo evento consiste nell’equipaggiare uno strumento con multipli della stessa parte che lavorano insieme simultaneamente. Se un chip del computer viene temporaneamente disabilitato da un colpo di particelle, le sue controparti possono subentrare nel gestire le operazioni.

Gli ingegneri possono pianificare e sviluppare tali strategie di mitigazione, ma è meglio farlo quando capiscono veramente l’ ambiente spaziale in cui viaggia un satellite. Missioni come i banchi di prova dell’ambiente spaziale e gli sforzi di modellazione presso il Radiation Effects Facility assicurano che ottengano tali informazioni.