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Un diario di cose celesti

Chi siamo? Perché?

Impatti iperveloci

30 Mar 2013 01:29 AM – Michele Diodati

<span class="di">Cortesia: ESA</span>

<span class="di">Cortesia: ESA</span>

L'immagine mostra il risultato di un test di laboratorio, in cui una piccola sfera di alluminio del diametro di 1,2 centimetri e del peso di 1,7 grammi è stata sparata alla velocità di circa 6,8 chilometri al secondo (poco meno di 25.000 chilometri orari) contro un blocco di alluminio spesso 18 centimetri.

Nell'impatto la sfera è stata completamente distrutta (quella visibile nell'immagine è messa solo per confronto), mentre nel bersaglio si è formato un cratere largo 9 centimetri e profondo 5,3. Secondo i dati forniti dall'Agenzia Spaziale Europea, la temperatura sviluppata in un simile impatto può oltrepassare i 6.000 gradi Kelvin, mentre la pressione può superare quella esistente al centro della Terra, cioè 365 Gigapascal, ovvero 365 miliardi di newton per metro quadro (un newton è la forza necessaria per imprimere a una massa di un chilogrammo un'accelerazione di un metro al secondo per secondo). Una pressione oltre 36 volte inferiore (10 Gigapascal) è la soglia minima necessaria per la formazione dei diamanti.

Questi numeri ci dicono quanto siano pericolosi gli impatti che possono verificarsi nello spazio per sonde e satelliti artificiali, anche quando i corpi che li colpiscono – micrometeoroidi e detriti spaziali – sono minuscoli.

Si parla di impatti iperveloci, quando il proiettile colpisce un bersaglio a una velocità superiore a 3 chilometri al secondo, pari a circa 11.000 chiometri orari. Oltre i 4 km/s un impatto può generare la completa distruzione e fusione del proiettile e l'apertura nella superficie colpita di un cratere profondo da due a cinque volte il diametro del corpo impattante.

Considerando che detriti orbitali e meteoroidi possono raggiungere velocità di impatto rispettivamente di 15 e 72 km/s, è facile immaginare le conseguenze altamente distruttive di una collisione nello spazio. L'impatto con un oggetto di 10 centimetri, per esempio, è sufficiente per disintegrare catastroficamente un satellite artificiale. Anche se – a onor del vero – la prima volta che un simile evento si è verificato le cose sono andate incredibilmente bene per la vittima. Il 24 luglio 1996, infatti, un frammento grande come una valigetta, appartenuto a un razzo Ariane 1, colpì a ben 50.000 km/h l'asta di stabilizzazione lunga sei metri del satellite CERISE ("ciliegia"), vaporizzandola all'istante. Tuttavia, il software di gestione permise di riorientare correttamente il satellite, che aveva preso a roteare follemente. CERISE, sia pure mutilato, continuò imperterrito la sua missione.

Per ridurre rischi di questo genere, le agenzie spaziali eseguono un continuo monitoraggio dello spazio intorno alla Terra. Ciò garantisce la disponibilità di un catalogo aggiornato in tempo reale, che consente di programmare in anticipo ed eseguire le correzioni orbitali necessarie per evitare ai veicoli in orbita ogni incontro con proiettili vaganti giudicati a rischio di collisione.

Un'animazione fornita dal NASA Orbital Debris Program Office, che mostra la posizione e il movimento dei detriti spaziali catalogati. Lo spazio intorno alla Terra diventa di anno in anno più affollato. Cortesia: NASA

La cosa migliore che si può fare, quando si è in rotta di collisione con un proiettile spaziale iperveloce grande qualche centimetro, è non farsi trovare all'appuntamento. Quando, però, l'oggetto è così piccolo da sfuggire a qualsiasi osservazione preventiva, allora non c'è che una soluzione: proteggere lo scafo del velivolo con adeguati strati di materiale protettivo.

La soluzione ancora oggi più usata è il cosiddetto scudo di Whipple, una struttura a sandwich proposta nel lontano 1947, prima dell'inizio dell'era spaziale, dall'astronomo americano Fred Whipple.

Esistono molte varianti di questo dispositivo. Tipicamente uno scudo di Whipple comincia con una lastra di alluminio, che è la prima barriera contro i proiettili provenienti dallo spazio. Lo scopo della lastra è provocare l'esplosione del meteoroide o del detrito che la colpisce, in modo da disperdere al massimo l'energia cinetica dell'impatto. Dietro la lastra di alluminio possono essere presenti diversi strati di materiali resistenti, leggeri e flessibili come il Kevlar e il Nextel, la cui funzione è assorbire gli eventuali frammenti che hanno attraversato la lastra, senza che danneggino le parti vitali del satellite, all'interno dello scafo.

Lo scudo di Whipple della sonda Stardust. <span class="di">Cortesia: NASA</span>

Lo scudo di Whipple della sonda Stardust. <span class="di">Cortesia: NASA</span>

Uno scudo di Whipple, per esempio, fu usato per proteggere la sonda Giotto dagli impatti delle particelle di pulviscolo provenienti dalla cometa di Halley, durante il celebre rendez-vous avvenuto nel marzo 1986.

Proteggere adeguatamente la sonda non era impresa da poco. Giotto e la cometa si sarebbero sfiorati alla impressionante velocità di 245.000 km/h, sufficiente per coprire la distanza media tra la Terra e la Luna in poco più di un'ora e mezza. A una simile velocità, sarebbe bastato l'impatto di un granello di polvere di soli 0,1 grammi per bucare 8 centimetri di solido alluminio.

Uno scudo sufficientemente spesso da resistere a simili impatti non poteva pesare meno di 600 kg. Era fuori discussione, perciò, dotare la piccola sonda, pesante a pieno carico 960 kg, di una protezione pari a circa due terzi del suo peso. Uno scudo di Whipple applicato al fondo della navicella fornì una soluzione alternativa molto più pratica ed economica. Il respingente esterno, progettato per vaporizzare le particelle di polvere più piccole, era costituito da una lastra di alluminio spessa solo un millimetro. Seguiva poi un'intercapedine di 23 centimetri, al fondo della quale si trovava il secondo ed ultimo elemento dello scudo: un foglio di Kevlar spesso 12 millimetri, che avrebbe assorbito qualsiasi frammento avesse superato il foglio di alluminio esterno. Questo sistema era in grado di resistere a impatti con particelle fino a 1 grammo di massa e velocità 50 volte maggiore di un proiettile (cioè oltre 60 km/s).

E lo scudo della sonda Giotto fu sottoposto davvero a un bombardamento non comune. Già 122 minuti prima del flyby con la cometa di Halley, i sensori avevano registrato 12.000 impatti con particelle di pulviscolo. La sonda continuò eroicamente a trasmettere immagini del nucleo della cometa fino alla distanza di 1372 chilometri. Poi Giotto passò attraverso un getto di materiale proveniente direttamente dal nucleo, mentre viaggiava a una velocità relativa di 68 km/s. Solo 7,6 secondi prima del massimo avvicinamento, l'impatto con una particella da un grammo impresse una rotazione non voluta e Giotto perse l'orientamento e smise di trasmettere immagini a Terra.

Ci vollero 32 minuti per ristabilire il contatto e stabilizzare nuovamente la sonda. L'ultimo impatto con il pulviscolo proveniente dalla cometa fu registrato 49 minuti dopo il massimo avvicinamento, che aveva portato Giotto a soli 596 km dal nucleo di Halley.

Dopo il bombardamento, e terminata con successo la missione principale, la sonda fu messa in ibernazione per quattro anni. 1419 giorni dopo, a febbraio 1990, fu risvegliata. Tre strumenti scientifici, compresa la fotocamera, erano fuori uso, quattro parzialmente danneggiati ma usabili, tre perfettamente operativi. La sonda era ancora pienamente governabile e fu perciò diretta verso una seconda cometa, la Grigg-Skjellerup, che sfiorò la sera del 9 luglio 1992, mentre la cometa si trovava a 215 milioni di chilometri dalla Terra. Giotto, con il suo scudo ammaccato ma ancora al suo posto, passò a soli 100-200 km dal nucleo. Purtroppo senza poter scattare foto.

La sonda Giotto. Lo scudo di Whipple è il dispositivo che si trova alla base della sonda, sopra il cilindro, parzialmente nascosto, che contiene il motore principale della navicella. <span class="di">Cortesia: ESA</span>

La sonda Giotto. Lo scudo di Whipple è il dispositivo che si trova alla base della sonda, sopra il cilindro, parzialmente nascosto, che contiene il motore principale della navicella. <span class="di">Cortesia: ESA</span>

Riferimenti

Tag: articoli, Giotto, comete, cometa di Halley, detriti spaziali, meteoroidi, impatti iperveloci

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