Le chiavi per fare fronte agli eventi di meteorologia spaziale (estremi)
La vulnerabilità dei satelliti al meteo spaziale non appartiene affatto al passato. Certo, l’ultimo evento considerevole si è verificato nel 2003: dal 29 al 31 ottobre le cosiddette tempeste solari di Halloween hanno disturbato oltre 47 satelliti e hanno persino distrutto un satellite giapponese del costo di 640 milioni di dollari, suscitando un’ondata di preoccupazioni tra governi, operatori di satelliti e altre parti interessate come le compagnie di assicurazioni. Ma benché questi eventi si siano verificati quasi 15 anni fa, alcuni eventi più recenti come i problemi di funzionamento degli orologi atomici di Galileo o la perdita di un satellite kazako alla fine del mese di marzo del 2017, che sono ancora sotto esame, potrebbero essere stati causati da radiazioni legate al meteo spaziale. “Il meteo spaziale può causare delle interruzioni dei servizi per periodi di settimane o persino mesi, e questo può essere molto dispendioso per gli operatori dei satelliti. Nel caso del satellite KazSat-2, sappiamo che l’incidente si è verificato quando le fasce di radiazioni sono state arricchite, e questo è soltanto l’esempio più recente. Dopo tutti questi anni e con tutta questa esperienza accumulata, la realtà è che abbiamo ancora dei danni ai satelliti causati molto probabilmente da eventi di meteorologia spaziale,” dice il prof. Richard Horne, capo scientifico alla British Antarctic Survey e coordinatore del progetto SPACESTORM (Modelling space weather events and mitigating their effects on satellites). SPACESTORM è nato dall’osservazione che vi è spazio di miglioramento per gli esistenti modelli di previsione del meteo spaziale, che non sappiamo abbastanza riguardo agli impatti del meteo spaziale nell’orbita terrestre bassa e in quella media, e che i portatori di interesse dovrebbero essere in grado di prendere delle decisioni più informate riguardo al modo in cui i satelliti dovrebbero essere progettati. Infine, il consorzio voleva rispondere alla domanda che la maggior parte dei portatori di interesse non ha il coraggio di porsi: quanti satelliti andrebbero persi nel caso si verificasse un evento meteorologico spaziale estremo? Per rispondere a questa domanda, il professor Horne e il suo team hanno deciso di concentrarsi in parte sulla costellazione di satelliti di Galileo. “Le informazioni sulla progettazione del veicolo spaziale Galileo e su quanta protezione dalle radiazioni esso possiede sono tutte mantenute riservate, proprio come accade con la maggior parte dei veicoli spaziali commerciali, e risulta quindi molto difficile valutarle,” spiega. “Quindi quello che abbiamo fatto è tentare di calcolare quello che noi riteniamo essere l’ambiente nell’orbita terrestre media (MEO, Medium Earth Orbit) dove volano i satelliti di Galileo. Abbiamo calcolato lo spettro degli elettroni nel peggiore dei casi, e abbiamo esaminato quanta schermatura potrebbe essere necessaria per proteggere il veicolo spaziale.” Dei calcoli simili sono stati effettuati per l’orbita geostazionaria, utilizzando un’analisi statistica dei dati esistenti insieme al modello fisico proprio del progetto. “Degno di nota è il fatto che questi due approcci differenti giungono a un risultato molto simile, e questo ci rende abbastanza certi del nostro approccio, – dice il prof. Horne, continuando – in effetti abbiamo scoperto che il flusso tende verso un valore limite tra 5 x 105 e 2 x 106 cm-2 s-1 sr-1. Ciò corrisponde a una corrente compresa tra 1 e 4 pA cm-2, che supera di 10 volte le linee guida raccomandate dalla NASA.” Sulla base di questi risultati, il team ha scoperto che i progettisti dovrebbero quasi raddoppiare la schermatura dei loro satelliti per essere certi che riescano a superare un evento meteorologico spaziale estremo. “La decisione, ovviamente, è nelle mani del responsabile commerciale,” fa notare il prof. Horne. “Questo può essere fatto, ma il lancio del veicolo spaziale richiederà allora enormi quantità di denaro. Visto che la comunità scientifica ritiene che la probabilità di un evento estremo sia di un evento in 100 o 150 anni, la domanda è: la vostra azienda vuole prepararsi per quel tipo di evento oppure no?” Scavare negli eventi del passato, prevedere quelli futuri Un altro contributo chiave del progetto è la comprensione che esso fornisce di tutti gli eventi meteorologici spaziali, sia del passato che del futuro. Il team ha lavorato a stretto contatto con aziende, governi e con l’Agenzia spaziale europea per assicurarsi che comprendessero i rischi e potessero prendere decisioni informate riguardo alla migliore linea d’azione. Per rendere possibile questo, essi hanno sviluppato modelli della fascia di radiazioni e hanno ricostruito 30 anni dell’ambiente delle radiazioni per l’intera fascia esterna delle radiazioni, inclusa l’orbita terrestre media e quella bassa per le quali erano finora pochi i dati disponibili. Tutto questo con molta più precisione rispetto a quanto era possibile fare in precedenza. “Noi abbiamo testato la nostra ricostruzione mettendola a confronto con i dati che possedevamo per pochi periodi nell’orbita terrestre media (MEO), ad esempio rispetto ai dati di Giove, e abbiamo ottenuto un punteggio Heidke skill score di circa 0,7. Il punteggio chiamato Heidke skill score determina la validità di una previsione: un punteggio di 1 è una previsione perfetta, 0 è una cattiva previsione. La nostra è abbastanza buona,” dice con entusiasmo il prof. Horne. Le compagnie di assicurazioni stanno già manifestando interesse per questi modelli allo scopo di esaminare quale fosse l’ambiente delle radiazioni quando si verificarono eventi meteorologici spaziali in passato. Come ciliegina sulla torta, il progetto ha creato un sito web per le previsioni capace di pianificare i cambiamenti nella fascia delle radiazioni con fino a tre ore di anticipo. Combinato con le previsioni degli impatti sull’ingegneria, il sito web può fornire un indicatore del rischio per i quattro principali rischi legati alla meteorologia spaziale che colpiscono i satelliti. “Se gli operatori dei satelliti vengono a sapere da una previsione che i loro satelliti saranno esposti a un rischio elevato, essi possono magari rinviare delle manovre, ritardare un aggiornamento software, richiamare del personale aggiuntivo o rendere immediatamente disponibile una maggiore capacità di trasmissione,” dice il prof. Horne. I partner del progetto alla ONERA in Francia hanno fatto un ulteriore passo con nuovi esperimenti sui principali materiali che vengono utilizzati sui satelliti. Il loro obiettivo: determinare se gli attuali metodi di laboratorio che prevedono di esporre i materiali a intense radiazioni per brevi periodi possono realmente rappresentare gli effetti della lunga esposizione, fino a 15 anni, nello spazio. “Ben presto è risultato chiaro che le proprietà elettriche sono molto importanti,” afferma il prof. Horne. “Irradiare alcuni materiali come i cavi in Kapton in effetti modifica la loro conduttività, quindi i test di esposizione alle radiazioni in laboratorio dovrebbero essere integrati con ulteriori esperimenti sul materiale stesso.” Un’azienda commerciale ha già iniziato a usare i risultati ottenuti dal progetto nel momento di decidere quale tipo di satellite avrebbe dovuto acquistare, e il professor Horne ritiene che questo alla fine fornirà degli stimoli per la progettazione di una nuova generazione di materiali. Con nuove tecnologie come gli emettitori passivi e la propulsione elettrica che stanno cambiando rispettivamente il modo in cui i satelliti diventano caricati e per quanto tempo essi rimangono esposti alle radiazioni, i risultati di SPACESTORM dovrebbero continuare a dimostrarsi molo utili nel prossimo futuro. Anche se il progetto si è adesso concluso, le previsioni verranno ulteriormente sviluppare nell’ambito di un nuovo progetto finanziato dall’ESA, e il team sta già lavorando al loro miglioramento per essere in grado di prevedere il meteo spaziale con fino a 24 ore di anticipo.
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