Cavi elettrodinamici scoperti: sottili come una sbarra, forti come rocce
La deorbitazione e il rientro dei satelliti sono essenziali per fermare il continuo aumento di detriti spaziali in orbita. Il progetto BETS, che si conclude questo mese, ha suscitato grande interesse con una nuova soluzione di cavi più veloce e più resistente ai danni rispetto a qualsiasi altra tecnologia disponibile. Un'orbita terrestre pulita potrebbe essere considerata un traguardo nel percorso verso una maggiore sicurezza spaziale, ma per ottenerla bisogna ancora risolvere tre problemi: come possiamo evitare che i rifiuti si accumulino nello spazio, come ci liberiamo dei rifiuti esistenti e, una volta risolti questi problemi, come manteniamo lo spazio pulito. Lo smaltimento dei rifiuti alla fine di una missione (post-mission disposal o PMD), che ha lo scopo di spostare gli oggetti spaziali in un'orbita di smaltimento o riportarli nell'atmosfera, contribuirà a rispondere alla prima e alla terza domanda. Anche se gli esperti pensano che il PMD da solo non eviterà che la quantità di detriti cresca in maniera incontrollata - la cosiddetta sindrome di Kessler ci dice che ogni collisione genera uno sciame di frammenti di detriti, innescando una reazione a catena - eviterà sicuramente che le cose peggiorino. Provarne l'efficienza darà inoltre slancio alla rimozione attiva dei detriti, convincendo le aziende e i governi che non stanno investendo in una causa persa. Le tecnologie di deorbitazione e rientro - un tempo limitate ai razzi - hanno fatto un enorme passo avanti con l'introduzione nel 1992 del concetto di cavi elettrodinamici scoperti. Finora questi lunghi cavi conduttori che pendevano dai satelliti erano però molto vulnerabili ai danni provocati dai tanti piccoli detriti spaziali. Il progetto BETS ("Bare Electrodynamic Tethers") potrebbe aver trovato la soluzione a questo problema: sostituendo i tradizionali cavi tondi con un nastro, hanno osservato che la probabilità che il cavo venga danneggiato dai detriti durante la deorbitazione differiva di diversi ordini di grandezza - in altre parole, le probabilità sono centinaia di volte minori. Il prof. Juan Sanmartin, che ha coordinato il progetto, ci ha spiegato che i risultati ottenuti dal team rendono i sistemi di deorbitazione con cavi più efficienti, più veloci e più resistenti rispetto alle altre tecnologie esistenti. Quali sono i principali obiettivi del progetto? Prof. Juan Sanmartin: Il progetto BETS si concentra su un singolo ma ambizioso obiettivo a lungo termine: fare in modo che un sistema di cavi di deorbitazione con una complessità minima batta tutti gli altri possibili sistemi, che siano sistemi di propulsione (chimica, elettrica) o semplicemente sistemi di trascinamento aumentati dall'uso di un una vela. Il nostro obiettivo è dimostrare che una soluzione del genere ha il più basso rapporto sistema-satellite e rende la deorbitazione più veloce garantendo una migliore manovrabilità, ma anche che ha un alto livello di affidabilità e la capacità di resistere ai detriti spaziali durante l'operazione. Il progetto era determinato a sviluppare il suo concetto fino al livello di maturità tecnologica 4-5, ovvero il collaudo in laboratorio e in un ambiente pertinente. Come funziona esattamente un cavo spaziale? Un cavo spaziale è un cavo sottile di svariati chilometri di lunghezza, che unisce un satellite e una massa che si trova al capo opposto. La struttura del cavo è in movimento relativamente al plasma in co-rotazione e al campo magnetico della Terra. Di conseguenza, il plasma circostante altamente conduttivo, che è equipotenziale nella sua struttura, presenta, nella struttura del cavo, un campo elettrico di un ordine di 100 V/km, che è il prodotto della velocità orbitale (vicina) e del campo magnetico. Questo permette ai contattori del plasma di raccogliere elettroni a un'estremità polarizzata positiva (anodica) e di espellere gli elettroni all'estremità opposta, creando una corrente lungo un cavo standard, completamente isolato. La forza di Lorentz sulla corrente del cavo piatto indotto magneticamente produce il decadimento dall'orbita del satellite. Che tipo di progressi tecnologici offre il progetto BETS? Il concetto del cavo scoperto aveva eliminato l'isolamento e raccoglieva elettroni sul segmento anodico per una raccolta di corrente molto più efficiente. Dieci anni fa si poteva dire che la tecnologia dei cavi si trovava di fronte a tre difficoltà principali. Una era il problema del rientro che Design for Demise ha risolto anni prima di BETS. Un'altra era la ampiamente riconosciuta bassa probabilità di sopravvivenza dei cavi rotondi quando venivano colpiti da piccoli detriti, il che ha dato origine al concetto complesso di nastro multilinea, che chiamiamo falso nastro, fatto di sottili cavi tondi interconnessi per resistere all'impatto con i detriti. Questo concetto è emerso anche prima che BETS fosse avviato ed è stato accettato come la soluzione al problema della sopravvivenza del cavo. Il nostro contributo è la prova che un nastro scoperto possa resistere all'impatto in modo molto più efficiente rispetto a un cavo scoperto tondo, grazie sia a una deorbitazione più veloce che alla variabilità di larghezza e spessore. Questo, insieme alla scoperta che il nastro deorbita molto più velocemente del "falso nastro", è un risultato fondamentale per la tecnologia dei cavi. Una terza difficoltà erano i lunghi tempi di deorbitazione di cui le orbite inclinate sembravano aver bisogno. Ciò era in parte controbilanciato dai calcoli dettagliati in un modello dettagliato del campo geomagnetico. Nell'ambito di BETS è stato poi dimostrato che l'abbinamento di oscillazioni nel piano e fuori dal piano, se legate, aiutava la deorbitazione mantenendo il cavo moderatamente lontano dal piano orbitale. Ha detto che questa tecnologia era molto più efficiente. In che senso? I cavi usano un meccanismo di dissipazione abbastanza diverso dalla resistenza dell'aria e possono deorbitare in appena un paio di mesi, inoltre, i cavi piatti sono molto più leggeri rispetto a quelli tondi di uguale lunghezza e perimetro, che catturano una quantità uguale di corrente. Le tre diverse dimensioni del cavo permettono una progettazione facilmente scalabile da usare per missioni diverse. Lo spegnimento-accensione del contattore catodico permette di manovrare per evitare catastrofiche collisioni con grandi detriti. La forza di Lorentz è affidabile quanto la resistenza dell'aria. I cavi sono comunque ragionevolmente efficaci ad alte inclinazioni di orbita, come ho detto prima. Quali sono i prossimi passi per il progetto e quali sono i vostri programmi una volta che sarà concluso? Abbiamo diverse possibilità. Una di queste è il fatto che Orizzonte 2020 prevede una tematica per la dimostrazione in orbita della deorbitazione di un satellite alla fine della sua vita operativa. Gómez Molinero, CTO per Airbus Defence & Space Spain, ha manifestato il suo interesse per i cavi elettrodinamici alla 6ª Conferenza europea sui detriti spaziali dell'ESOC/ESA (2012). Ci sono stati diversi contatti e incontri tra BETS-UPM e il Sig. Gómez, nei quali il Sig. Gómez è stato invitato a fare una presentazione su una possibile collaborazione nel prossimo bando H2020. La Airbus sarebbe interessata a usare i cavi scoperti elettrodinamici per deorbitare i Multiple Payload Dispenser nei lanciatori VEGA o Soyuz-Fregat Arianespace, dispensatori da loro prodotti. Ha contattato Arianspace a questo fine e uno dei suoi collaboratori alla Airbus ha iniziato la progettazione preliminare di una tale missione di dimostrazione sotto la supervisione dell'UPM. Un incontro con Arianspace è in programma per questa primavera. Siete soddisfatti dei risultati della vostra ricerca? Sì. Un importante risultato ottenuto dal progetto BETS è stata la determinazione dei criteri di progettazione per determinare le tre diverse dimensioni di un cavo piatto - che riguardano la massa, gli effetti ohmici, il regime di raccolta della corrente, il campo auto-magnetico e la resistenza ai detriti nello spazio in diverse condizioni ambientali e quando un cavo perde altitudine. Uno specifico codice completo, detto BETsMA è adesso un progetto brevettato. Altri importanti risultati sono la produzione innovativa e il collaudo a terra di hardware di base per il sistema di cavi: Plasma Contactor (Colorado State University), Power Control Module (emxys, piccola azienda), Deployment Mechanism (DLR - Bremen) e Cavo strutturato lateralmente e longitudinalmente (Fundación Tecnalia). Dall'altra parte, la ricerca svolta presso l'Università di Padova e di ONERA-Toulouse ha migliorato le attuali conoscenze della fisica alla base della tecnologia dei cavi. Ci sono governi che hanno già manifestato il loro interesse per l'uso di questa tecnologia? C'è in effetti un potenziale impatto a livello politico e internazionale. La crescita del numero di paesi con un accesso diretto allo spazio significa che l'approccio attuale verso il problema dei detriti non è solo europeo o nazionale, ma sicuramente internazionale. Per garantire un'implementazione efficace della deorbitazione dei nuovi satelliti alla fine della loro vita operativa, è necessario il consenso internazionale, che in effetti dipende dall'autorità spaziale dell'ONU. Il progetto potrebbe certamente portare all'impiego di questa tecnologia all'avanguardia da parte di aziende in Europa. In definitiva, potrebbe avere un successo politico paragonabile a quello commerciale.
Paesi
Spagna