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Solar Orbiter: la fotocamera più vicina al Sole

14 settembre 2020
C'è un paradosso al centro della missione di Solar Orbiter. Da un lato, gli scienziati vogliono utilizzare il veicolo spaziale per acquisire le immagini del Sole più vicine che siano mai state scattate. Dall'altro, sanno che più si avvicinano, più dannosa diventa la stessa luce che cercano di osservare. Ecco come la strumentazione della sonda è stata costruita per far fronte alle necessità della ricerca scientifica nel rispetto della sicurezza degli apparati.

"Abbiamo dovuto capire come proteggere uno strumento che vuole guardare la superficie visibile del Sole da quella stessa luce visibile", afferma Achim Gandorfer, del Max Planck Institute for Solar System Research (MPS) e membro del team per lo strumento Polarimetric and Heliospheric Imager (PHI) di Solar Orbiter.
Questo problema è stato affrontato da tutti i team che hanno lavorato alla strumentazione scientifica. Il Solar Orbiter trasporta dieci strumenti, sei dei quali includono telescopi, e la maggior parte di questi sono progettati per guardare direttamente la superficie solare. Ognuno ha sfidato l'obiettivo di proteggere i delicati strumenti dalla luce e dal calore eccessivi, pur raccogliendone a sufficienza per effettuare le proprie misurazioni scientifiche. E ogni team di strumenti ha trovato una soluzione unica.

In attesa di una tecnologia più avanzata

La portata del problema è enorme. Il Solar Orbiter è progettato per funzionare a circa 42 milioni di chilometri dal Sole. Questa distanza è appena più all'interno del punto più vicino dell'orbita di Mercurio al Sole, a 46 milioni di chilometri. Da tali distanze, il Sole è spaventoso. La superficie del mercurio può raggiungere temperature di oltre 400° C, rendendola abbastanza calda da fondere il piombo.
I primi veicoli spaziali a viaggiare così vicino al Sole furono le due missioni Helios nella metà degli anni '70. Prodotti e lanciati dall'agenzia spaziale della Germania occidentale DLR e dalla NASA, hanno volato tra i 46 ei 43 milioni di chilometri dal Sole. Hanno "risolto" il problema del calore e della luce travolgenti del Sole non trasportando telescopi e telecamere che guardassero direttamente la superficie solare e facendo ruotare la navicella 60 volte al minuto per distribuire il flusso di calore in modo uniforme. Il loro carico scientifico erano soltanto rivelatori di particelle e gli strumenti magnetici, i cosiddetti strumenti in situ perché campionano le condizioni fisiche dello spazio intorno al veicolo spaziale piuttosto che osservare il Sole.

Anche il Solar Orbiter trasporta strumenti in situ. Ciò che rende unica la missione sono le immagini che sta scattando del Sole perché queste consentono di collegare le condizioni fisiche intorno alla navicella spaziale agli eventi sul Sole.
Per mantenere la missione al sicuro, la maggior parte della navicella spaziale pesante quasi 1,8 tonnellate è protetta da uno scudo termico unico che è stato progettato e prodotto da Thales Alenia Space a Torino, in Italia, per il principale appaltatore del veicolo spaziale, Airbus Defence and Space.
Lo scudo termico di Solar Orbiter può resistere a temperature di oltre 500° C deviando l'energia verso i lati e lontano dal veicolo spaziale. Ciò significa che tutta l'elettronica e l'attrezzatura possono stare all'ombra di questo scudo termico e lavorare a temperature più ragionevoli. Ma affinché le telecamere funzionino, non possono essere completamente nascoste perché devono essere in grado di guardare il sole.

"Fondamentalmente, è stato necessario praticare dei fori in quel parasole", afferma Frédéric Auchère, dell'Institut d'Astrophysique Spatiale, Université Paris Sud. È il Principal Investigator per le operazioni dello strumento Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE).
SPICE rivelerà le proprietà del gas che collega l'atmosfera solare più calda, detta corona, alla superficie solare più fredda. Questo gas è caricato elettricamente, il che lo rende un plasma, ed indirizzato nello spazio dal campo magnetico del Sole. SPICE rileverà la luce a lunghezze d'onda ultraviolette estreme emesse dal plasma, il che significa osservare direttamente la superficie del Sole. "Dobbiamo sopportare qualcosa come 10-15 volte la potenza assorbita che abbiamo sulla Terra", afferma Frédéric.

Alla ricerca degli occhiali da Sole

La cosa che rende possibile il rilevamento dello strumento è che SPICE deve solo misurare l'estrema luce ultravioletta del Sole. Non ha bisogno di raccogliere la luce visibile, che è l'intervallo di lunghezze d'onda che contiene la maggior parte dell'energia termica proveniente dal Sole. Quindi in SPICE, il primo componente ottico è uno specchio sensibile solo alla luce ultravioletta. Fa rimbalzare l'ultravioletto sul rivelatore, mentre la luce visibile e altre lunghezze d'onda passano direttamente attraverso e vengono quindi dirette fuori dallo strumento e lontano dal veicolo spaziale da uno specchio differente.
Ciascuno degli altri cinque strumenti di rilevamento a distanza di Solar Orbiter si occupa del calore e della luce estremi in un modo unico. Ad esempio, l'Extreme Ultraviolet Imager (EUI) guarda attraverso uno spioncino nello scudo termico. Attraverso questo foro c'è un filtro molto sottile di foglio di alluminio. È molto simile alla pellicola usata nelle cucine, ma molto più sottile e riflette la maggior parte della luce visibile e del calore.

Sicurezza VS Scienza

David Berghmans, il Principal Investigator dell'EUI, considera le sfide progettuali come un atto di equilibrio tra sicurezza e scienza. "Dal punto di vista tecnico e della sicurezza, vuoi che questi spioncini siano i più piccoli possibile. Mentre per il telescopio non va bene perché vogliamo che passino molti fotoni per scattare belle immagini", dice David.
Fortunatamente per l'EUI l'universo è andato in loro soccorso. È una legge della fisica che il più piccolo dettaglio che un telescopio possa vedere è correlato alla dimensione della sua apertura divisa per la lunghezza d'onda che sta osservando. Poiché le lunghezze d'onda ultraviolette a cui EUI è interessata sono più piccole della luce visibile, la dimensione del suo spioncino non doveva essere grande come quella di un telescopio a luce visibile. "Le nostre lunghezze d'onda sono minuscole, quindi possiamo convivere con aperture ridotte e osservare comunque ad alta risoluzione", afferma David.

Per lo spettrometro e telescopio a raggi X (STIX) le lunghezze d'onda a cui sono interessati sono ancora più brevi. "Per i raggi X mettiamo una sottile lastra di metallo davanti al nostro strumento per proteggerlo dal calore. È fatto di berillio, un metallo molto leggero che i raggi X possono attraversare piuttosto bene", afferma Säm Krucker, Principal Investigator di STIX.

Nel caso del Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI), che fornisce mappe della luminosità del Sole a lunghezze d'onda visibili e misura le strutture del campo magnetico vicino alla superficie solare, il team si è reso conto che lo strumento ha solo bisogno di registrare una banda stretta di lunghezze d'onda per fornire i dati di cui hanno bisogno per il loro studio scientifico. Tutto il resto della luce e del calore dannosi possono essere riflessi nello spazio.
Il team PHI ha ottenuto questo risultato sviluppando una finestra sofisticata con rivestimenti ideati per respingere tutte le lunghezze d'onda ad eccezione di quelle nella parte rossa dello spettro visibile che interessano. "Se guardassi questa finestra, vedresti te stesso - sembra uno specchio", dice Achim.

Per lo strumento Metis, noto come coronografo, un deflettore interno blocca la luce proveniente dalla superficie del Sole in modo che lo strumento possa vedere soltanto la luce riflessa dai gas dell'atmosfera esterna del Sole - la corona. E per lo strumento di telerilevamento finale, l'Heliospheric Imager (SoloHI), il problema era in qualche modo più facile da mitigare perché non osserva direttamente la superficie solare ma guarda lontano dal Sole per catturare la luce che si disperde dagli elettroni che fluiscono dal Sole nel vento solare. E Anche se non osserva direttamente il Sole, utilizza comunque i deflettori per ridurre la luce riflessa dal campo solare e dallo scudo termico della navicella.

Il congelamento del lato posteriore

E non è solo il caldo estremo che il Solar Orbiter deve affrontare. La maggior parte degli strumenti in situ si trova alle prese con il problema opposto: il freddo gelido. I loro rilevatori si trovano su un braccio di 4,4 metri che si estende dalla parte posteriore del veicolo spaziale, e questo li tiene all'ombra dello scudo termico, consentendo alle particelle e al campo magnetico di fluire intorno a loro.
Uno strumento in particolare deve affrontare sia il caldo estremo che il freddo estremo. Il Solar Wind Analyzer (SWA) contiene tre sensori separati. Il sistema dell'analizzatore di elettroni si trova all'estremità del braccio ed è quindi permanentemente in ombra. "Siamo in condizioni di freddo estremo", afferma Christopher Owen, Principal Investigator dello SWA. "Abbandonato a se stesso scende a temperature fino a –100° C o anche peggio. Quindi dobbiamo riscaldarlo attivamente."
Gli altri due sensori nell'SWA, tuttavia, devono essere rivolti verso il Sole come un telescopio a causa delle particelle che sono interessati a catturare. Questi rilevatori sono il sensore di particelle alfa del protone e il rilevatore di ioni pesanti. Ognuno di essi ha un ritaglio nell'angolo dello scudo termico principale della navicella e il proprio mini scudo termico per proteggerli. Quindi, ogni scudo termico ha una piccola fessura per consentire alle particelle di entrare, ma questo fa entrare anche la luce dannosa. È qui che il design dello strumento diventa intelligente.
Poiché i protoni e gli ioni pesanti sono caricati elettricamente, possono essere deviati dai campi elettrici. Quindi questi rivelatori generano ciascuno un forte campo elettrico localizzato dietro la fessura per piegare le particelle nel rivelatore, che è riposto in modo sicuro dietro lo scudo termico principale. La luce che entra nella fessura non viene deviata e passa direttamente dal retro dello strumento. "Questa è una sorta di modalità di funzionamento del periscopio elettrostatico", afferma Christopher.

Non ci possono essere dubbi, il Solar Orbiter è un veicolo spaziale complesso. Dalla parte anteriore dello scudo termico a più di 500° C all'estremità del braccio del braccio a –100° C il veicolo spaziale deve far fronte a un enorme intervallo di temperature. Ma se vogliamo rispondere a domande come "cosa riscalda l'atmosfera esterna del Sole?" e "cosa accelera il vento solare?", allora dobbiamo avvicinarci il più possibile con quanti più tipi di strumenti possibili.
Per Yannis Zouganelis, vice scienziato del progetto Solar Orbiter dell'ESA, questo è ciò che rende importante la missione. "Abbiamo quattro grandi argomenti che vogliamo affrontare, ma questo si traduce in centinaia di domande più piccole", afferma.
Questi quattro argomenti riguardano lo studio del vento solare e del campo magnetico della corona; studiare eventi solari improvvisi e i loro effetti sul vento solare e sulla corona; studiare le eruzioni solari e le particelle energetiche che producono; e infine studiare la generazione del campo magnetico del Sole.
Il Solar Orbiter è unico in quanto può combinare i dati degli strumenti di rilevamento remoto e in situ, cosa che nessun veicolo spaziale ha mai fatto prima. "Spero che avremo molte risposte a molti dei nostri misteri, ma ovviamente troveremo anche altre domande. Come per ogni missione esplorativa sono sicuro che troveremo sorprese " afferma Yannis.

E quando arrivano queste sorprese, non c'è veicolo spaziale meglio equipaggiato di Solar Orbiter per affrontarle.

fonti: ESA

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