Il satellite Tethered, ovvero “satellite a filo”, è stato lanciato per il suo primo volo di prova durante la missione STS-46 dello Space Shuttle.
Questa missione, alla quale ha partecipato per la prima volta un astronauta italiano, rappresenta il primo progetto di grande complessità intrapreso in cooperazione tra l’Italia e gli Stati Uniti d’America dall’inizio del programma Space Shuttle nel 1981.
Il Tethered Satellite System – TSS1 – è stato sviluppato in collaborazione tra l’ASI (Agenzia Spaziale Italiana) e la NASA; l’ASI si è fatta carico del satellite, la NASA del verricello per il rilascio e ricupero del satellite e delle operazioni di volo a brodo dello shuttle. dalla NASA. La strumentazione scientifica sul satellite e nella stiva dello shuttle è stata progettata e realizzata da università e centri di ricerca italiani e americani con finanziamenti della NASA e dell’ASI.
Durante il volo inaugurale il satellite Tethered, attaccato ad un cavo elettrico, doveva essere lanciato fuori dalla stiva e “filato” come un aquilone fino a venti chilometri sopra allo shuttle in volo orbitale a 300 chilometri di quota. Dopo un periodo di volo di circa quindici ore in questa formazione, il satellite doveva essere riportato nella stiva riavvolgendo e ricuperando il filo.
Se il sistema shuttle–filo–satellite, mentre vola in un’orbita circolare, rimane orientato lungo una radiale verso la Terra, la forza gravitazionale sullo shuttle è più grande che sul satellite (più lontano dalla Terra) mentre la forza centrifuga generata dalla rotazione orbitale è più grande sul satellite (più lontano e quindi in moto con velocità più grande). Questo differenziale di forze sui due corpi in volo assicura che il filo resti teso. La tensione – e quindi l’effetto stabilizzatore del sistema – sarà più forte quanto più lungo è il filo.
Nella prima missione del satellite a fili erano disponibili sul rocchetto-verricello 20 km di filo. Il filo ha un diametro di 2,5mm. Ha al suo interno una treccia di rame rivestita di teflon isolante, una calza di kevlar e un rivestimento esterno di nomex.
Il filo conduttore si muove attraverso il campo magnetico terrestre alla velocità orbitale di 26.000 chilometri all’ora e quindi (legge di Faraday) una differenza di potenziale elettrico viene indotta ai capi del filo. Si può calcolare che con un filo lungo 20 km il sistema può creare differenze di potenziale elettrico fino a 5.000 volt tra le due estremità del filo conduttore, ovvero tra il satellite e lo shuttle.
Qualora si riesca a estrarre potenza elettrica facendo circolare corrente nel filo, questo agirà come freno al movimento: l’energia meccanica perduta sarà resa in energia elettrica.
Lo spazio in cui vola il sistema shuttle-satellite a 300 km di quota non è perfettamente vuoto; siamo nella ionosfera, una zona estremamente rarefatta dell’atmosfera che si caratterizza per la presenza di ioni ed elettroni, di particelle elettricamente cariche che subiscono le forze elettriche e magnetiche. Gli elettroni, molto mobili grazie alla loro piccola massa, possono essere catturati dal satellite, elettricamente positivo, mentre viaggia nella ionosfera; dal lato shuttle lo scambio di elettroni si realizza grazie ad un cannone elettronico (acceleratori di elettroni) installato nella stiva dello shuttle.
Il flusso di elettroni espulso dallo shuttle viaggia lungo le linee di forza del campo magnetico terrestre e si ricombina nella ionosfera; così può chiudersi il circuito elettrico della corrente.
Il cannone elettronico è un potente diodo collocato nella stiva dello shuttle il cui catodo, collegato al filo conduttore collegato al satellite e quindi al potenziale elettrico del satellite, opportunamente riscaldato, funge da emettitore di elettroni.
L’anodo, collegato alla massa elettrica dello shuttle, accelera ed espelle gli elettroni verso la ionosfera. Il controllo della temperatura del catodo consente di determinare l’emissione degli elettroni, ovvero il punto di lavoro del diodo e quindi, modulando la temperatura del catodo, si controlla la corrente.
Il cannone elettronico è un dispositivo sviluppato appositamente per la missione; finanziato dall’ASI, è stato realizzato dalla Proel di Firenze sotto la guida di Carlo Bonifazi.
Un esperimento prevede la modulazione della corrente aprendo e chiudendo il circuito elettrico; in questo modus operandi il filo potrebbe operare come un’antenna radio emettendo onde di bassissima frequenza (onde ELF, ovvero di pochi Hz.) e di grandissima lunghezza d’onda.
Queste onde sarebbero rivelate a terra all’Instituto de Astrofísica de Canarias nell’isola di Tenerife durante alcuni passaggi allo zenith del Tethered.
Qui un team di ricercatori, guidato da Giorgio Tacconi dell’Università di Genova, prevede di captare le piccole variazione di campo magnetico prodotte da queste oscillazioni radio usando alcuni sensori ultrasensibili SQUID (Superconducting Quantum Interference Device)
Lo SQUID funziona come rivelatore di variazioni piccolissime di campo magnetico dell’ordine di 5×10−18 Tesla. É uno strumento che utilizza giunzioni josephson su anelli superconduttori funzionanti alla temperatura dell’elio liquido (4°K).
Il satellite ha la forma di una sfera del diametro di 1,5 metri e pesa 500 kg. Contiene i sistemi di supporto e di controllo di assetto, di distribuzione elettrica di scambio dati con gli strumenti ospitati e di comunicazione con lo shuttle. Le pelli del satellite sono conduttrici e sono elettricamente collegate al filo.
Il satellite è normalmente bloccato da sei chiavistelli su una struttura di supporto cilindrica nella stiva dello shuttle; al momento del rilascio viene sollevato a 12 metri sul livello della stiva da un traliccio telescopico e quindi rilasciato. Nella prima fase del lancio viene sospinto da piccoli razzi a gas freddo che ne facilitano l’allontanamento dallo shuttle.
Il satellite Tethered è stato progettato e realizzato da Alenia Spazio di Torino, i bracci telescopici prodotti da Piaggio Aerospace e gli strumenti dai laboratori degli scienziati italiani e americani, con finanziamenti rispettivamente di ASI e NASA.
La strumentazione scientifica imbarcata sul satellite comprende sensori capaci di misurare campi elettrici e magnetici, flussi di ioni e di elettroni nello spazio attorno al satellite, particolarmente quando il satellite – a causa dell’interazione del cavo con il campo magnetico terrestre – si trova ad alta tensione (positiva) rispetto al plasma ionosferico circostante. In queste condizioni si forma una sorta di guaina (plasma sheath) elettricamente attiva attorno al satellite che si vuole studiare; essa aumenta la superficie di raccolta di elettroni e in particolari condizioni, può generare fenomeni di luminescenza.
Il cuore del verricello (deployer) – che consente il rilascio e il recupero del filo e del satellite – è un grande cilindro sul quale sono ordinatamente avvolti 20 km di cavo; nelle operazioni di rilascio e di ricupero il cavo viene accompagnato sul cilindro da una spoletta “vai e vieni”, come negli antichi telai.
La velocità di rilascio del cavo è controllata a distanza da computer e raggiunge a regime la velocità di 2 m/s.
Vi sono anche sul percorso del filo, all’interno del deployer, dei meccanismi-ghigliottina, che consentono in caso di necessità di tagliare il cavo a comando dell’equipaggio.
Il verricello è stato progettato e realizzato da Martin Marietta (oggi Lockheed Martin).
Le missioni del sistema Tethered
TSS-1
La prima missione del sistema del satellite Tethered (TSS-1) fu proposta alla NASA e all’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) nei primi anni ’70 da Mario Grossi, dello Smithsonian Astrophysical Observatory di Boston e da Giuseppe Colombo, dell’Università di Padova. Era un progetto scientifico originale e molto innovativo, che suscitava preoccupazioni al NASA Astronauts Office per via del cavo, protagonista dell’esperimento, che si temeva potesse diventare incontrollabile, impigliarsi nelle porte della stiva e compromettere la configurazione dello shuttle per il rientro. Superate attraverso studi teorici queste perplessità, la prima missione elettrodinamica del satellite a filo Tethered fu messa in cantiere e prese il volo nell’agosto del 1992 con la missione dello shuttle Atlantis STS-46. Altre missioni, che avrebbero sfruttato il sistema a filo per scandagliare l’alta atmosfera erano nei piani.
Lo scopo della missione TSS-1 era di verificare la fattibilità della manovra del filo, il grado di stabilità del sistema ottenibile grazie al gradiente di gravità, l’intensità della differenza di potenziale elettrico ottenibile dall’interazione del cavo con il campo magnetico terrestre e l’intensità di corrente che si sarebbe potuto ottenere con diverse tecniche. Si sarebbe anche studiata l’interazione del satellite con il plasma ionosferico e le onde radio ELF generate dal cavo-antenna nello spazio.
Sfortunatamente solo una piccola lunghezza di cavo (256 m.) fu svolta a causa di un bullone anomalo nel verricello, frutto di una modifica frettolosa dell’ultimo momento. Il bullone interferiva con la spoletta che distribuisce il cavo e provocava di conseguenza il blocco dei meccanismi del verricello.
Nonostante l’incidente, tutta la strumentazione scientifica sul satellite e nella stiva dello shuttle funzionò perfettamente e l’esperienza del rilascio e ricupero del satellite consentì importanti verifiche: la stabilità del sistema dei due corpi in volo tenuti dal cavo, la fattibilità del rilascio e del ricupero del satellite, l’insorgenza della differenza di potenziale elettrico attesa e la conferma di una effettiva corrente nel filo. L’equipaggio era riuscito a ricuperare il satellite e riportarlo a terra, in condizioni impreviste, mettendolo a disposizione per una ripetizione dell’esperimento nel corso di una seconda missione.
TSS-1R
La seconda missione – il reflight TSS-1R – si fece quattro anni dopo nel febbraio del 1996 con lo shuttle Columbia. Questa volta il sistema meccanico funzionava perfettamente ma quando il cavo era quasi completamente svolto ed il satellite era arrivato a 19,7 km, vicinissimo alla distanza obiettivo di 20 km. un arco elettrico nel punto di passaggio del cavo attraverso i ruotismi del verricello tranciava il cavo provocando la perdita del satellite.
Nonostante la fine prematura del programma sperimentale nelle cinque ore di estensione di cavo si sono fatte misure con potenziali elettrici assai elevati e si è potuto caratterizzare la corrente del circuito elettromagnetico, misurare la distribuzione di ioni ed elettroni nella guaina di plasma attorno al satellite, determinare la resistenza elettrica del cavo nell’ambiente spaziale. Le correnti misurate sul cavo hanno superato di gran lunga le previsioni dei modelli numerici, migliorando la comprensione dell’interazione elettrica dello shuttle con il plasma orbitale circostante.
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