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Vele solari elettrostatiche

Rappresentazione artistica della vela HERTS mentre lascia l'orbita terrestre
Rappresentazione artistica della vela HERTS mentre lascia l'orbita terrestre Credits: NASA/MSFC

L'idea rivoluzionaria di costruire una "e-sail", una vela elettrostatica spinta dalla repulsione dei protoni del vento solare, potrebbe trasportare sonde al confine del sistema solare in soli 10 anni.

 I test sono già iniziati al Marshall Space Flight Center della NASA, e i risultati forniranno i dati di modellazione per il "Heliopause Electrostatic Rapid Transit System" (HERTS). Il sistema funziona senza propellente, in modo analogo alle vele solari classiche spinte dalla pressione di radiazione della luce solare. In questo caso, però, la spinta viene fornita dalla repulsione elettrostatica tra i protoni del vento solare e una "ragnatela" di fili elettricapente carichi. "Il sole rilascia protoni ed elettroni nel vento solare a velocità molto elevate - da 400 a 750 chilometri al secondo" ha detto Bruce Wiegmann, ingegnere del Marshall e ricercatore principale per il HERTS, "l' E-Sail userebbe questi protoni per spingere il veicolo spaziale."

 Estendendendo dal centro della navicella verso l'esterno, da 10 a 20 fili di alluminio con una carica elettrica positiva, questi produrrebbero un grande struttura circolare che respinge elettrostaticamente i protoni rapido movimento del vento solare, sottraendo loro una parte della quantità di moto e spingendo la sonda lontano dal Sole. Ogni filo è estremamente sottile, solo 1 millimetro di spessore, e molto lungo, quasi 20 km. Poiché la sonda ruota lentamente compiendo un giro all'ora, la forza centrifuga tenderà i fili nella posizione desiderata.

 La sperimentazione, che si svolge nel sistema "High Intensity Solar Environment Test", è stata progettata per esaminare il tasso di collisioni di protoni e di elettroni con un filo di carica positiva. All'interno di una camera al plasma, che simula l'ambiente interplanetario, il gruppo di ricerca sta utilizzando un filo di acciaio inossidabile come analogo del filo di alluminio leggero. Anche se più denso dell'alluminio, le proprietà non corrosive dell'​​acciaio imitano il comportamento dell'alluminio nello spazio e consentiranno di effettuare molti test senza degrado. Gli ingegneri stanno misurando la deviazione di protoni da parte del filo carico all'interno della camera, migliorando il modello che verrà scalato e applicato per il futuro sviluppo della tecnologia E-Sail. I test servono anche a misurare la quantità di elettroni attirati al filo e queste informazioni saranno utilizzate per sviluppare le specifiche per il "cannone elettronico" ovvero un emettitore di elettroni, che espelle queste particelle in eccesso dal veicolo spaziale per mantenere la tensione di polarizzazione positiva del filo, il che è fondamentale per il suo funzionamento come sistema di propulsione.

Chamber

"High Intensity Solar Environment Test system" usato per testare il funzionamento della vela - Credits: NASA/MSFC/Emmett Given

 Questo concetto di vela elettrica si basa sull'idea del Dr. Pekka Janhunen del Finnish Meteorological Institute; tuttavia, le tecnologie necessarie per un sistema di propulsione integrata E-Sail sono ancora ad un livello prematuro. Se i risultati delle prove con il plasma, la modellazione e le indagini sul dispiegamento del filo si dimostrano promettenti dopo l'indagine in corso di due anni, ci sarà ancora una grande quantità di lavoro necessario per progettare e costruire questo nuovo tipo di sistema di propulsione. Il primo uso effettivo della tecnologia sarà probabilmente tra almeno un decennio.

Il concetto HERTS E-Sail è in fase di studio in risposta alla National Academy of Science’s 2012 Heliophysics Decadal Survey, uno studio condotto da esperti della NASA, dell'industria, del mondo accademico e delle agenzie governative, che ha identificato la propulsione avanzata come il principale ostacolo tecnico per la futura esplorazione l'eliosfera. L'indagine ha evidenziato la necessità di sistemi di propulsione che potrebbero raggiungere il bordo del nostro sistema solare molto più velocemente rispetto al passato. Per inviare una sonda scientifica in un viaggio spazio profondo, la vela dovrebbe avere una grande area efficace. viaggi nello spazio è generalmente misurata in unità astronomiche, o la distanza dalla Terra al sole. A 1 AU, la E-Sail avrebbe un'area effettiva di circa 232 miglia quadrate, leggermente più piccola della città di Chicago. L'area effettiva aumenterebbe a più di 463 quadrati miles-- simile a Los Angeles - a 5 AU. Questo aumento della superficie implica una continua accelerazione molto più a lungo di tecnologie di propulsione comparabili. Ad esempio, quando una vela solare tradizionale raggiunge la fascia di asteroidi, la spinta della pressione di radiazione solare scende a livelli trascurabili; Wiegmann ritiene che la E-Sail continuerebbe ad accelerare ben oltre. "Le stesse preoccupazioni non si applicano ai protoni del vento solare", ha detto. "Con il continuo flusso di protoni, e l'area aumentata, la E-Sail continuerà ad accelerare per 16-20 AU - almeno tre volte più lontano di una vela solare. Ciò creerà velocità molto più elevate." Nel 2012, Voyager 1 è diventato il primo veicolo spaziale ad attraversare l'eliopausa e raggiungere lo spazio interstellare, impiegando quasi 35 anni giungere fino a 121 AU dal Sole. L'obiettivo di HERTS è quello di sviluppare un E-Sail che potrebbe fare lo stesso percorso in meno di un terzo di quello tempo. "La nostra indagine ha dimostrato che una sonda interstellare spinta da una E-Sail potrebbe raggiungere l'eliopausa in poco meno di 10 anni", ha detto.

"Quando il team ha studiato questo concetto, è diventato chiaro che il disegno è flessibile e adattabile", ha detto Wiegmann. L'E-sail è molto scalabile: "I cambi di direzione possono essere ottenuti modulando la tensione di fili individualmente mantre navicella ruota; una differenza di forza applicata su diverse porzioni della vela darebbe la possibilità di guidare il veicolo spaziale, un pò come si fa con le vele di una barca.

 

Fonte:
- http://www.nasa.gov/centers/marshall/news/news/releases/2016/nasa-begins-testing-of-revolutionary-e-sail-technology.html

 

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

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