Una vista sezionata di SEIS, posato sulla superficie di Marte
©IPGP/David Ducros
SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) è il primo sismometro europeo ad essere atterrato su un altro pianeta.
E' uno strumento altamente sofisticato le cui prestazioni, anche se inferiori rispetto al miglior sismometro terrestre presente sul mercato, garantiranno grandi risultati su Marte.
Con una massa di 11,5 chilogrammi, sarà in grado di registrare movimenti di massa di una frazione di 0,001 millimetri su un'ampia gamma di frequenze tra 0,1 Hertz e 50 Hertz e questo permetterà di acquisire i segnali generati dai terremoti, dagli impatti meteorici e da piccoli eventi locali, come i "diavoli di polvere", le frane o le deboli deformazioni mareali indotte dalla luna Fobos.
I dati rilevati con SEIS risponderanno a molte domande ancora irrisolte sulla struttura interna di Marte.
Faranno chiarezza, ovviamente, sull'attuale attività sismica del pianeta; permetteranno di conoscere la frequenza con cui i meteoriti impattano sulla superficie, un fattore che potrebbe costituire un rischio per le future missioni con astronauti; sveleranno il mistero sulla dicotomia dello spessore crostale tra emisfero nord e sud; sulla struttura e composizione del mantello ed infine, il mio obiettivo preferito, sulla composizione e lo stato attuale del nucleo del pianeta. Marte ha ancora un piccolo nocciolo fluido come quello terrestre? Io ho grandi aspettative su questo punto ma suppongo che dovrò avere pazienza ed aspettare che la missione vada avanti!
SEIS, sviluppato dall'Institute de Physique du Globe de Paris (IPGP), dal Centre National d’Etudes Spatiales (CNES), dall'Imperial College London, dall'Oxford University, dall'ETH Zürich, dal Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA e dal Max Planck Institute for Solar Systems Research (MPS), dovrebbe rimanere operativo almeno per un anno marziano, ossia 687 giorni terrestri.
Il cuore dello strumento sono tre pendoli sofisticati e sensibili ad un'ampia gamma di vibrazioni, saldamente fissati all'interno di una sfera di titanio in condizioni di vuoto assoluto. Questi sensori, chiamati Very Broad Band (VBB), hanno alle spalle due decenni di ingegneria basati sulla missione russa Mars 96 e sull'internazionale NetLander, la prima fallita subito dopo il lancio, la seconda sviluppata negli anni '90 da Francia, Stati Uniti, Finlandia, Germania, Belgio, Italia, Regno Unito e Svizzera, accantonata quando la NASA uscì dal progetto a seguito della perdita del Mars Climate Orbiter e del Mars Polar Lander.
I Very Broad Band (VBB) coprono il range da 0,01 a 10 Hertz.
Modello 3D dei VBB
© IPGP / David Ducros
Il processo di progettazione e realizzazione è stato pieno di sfide.
Come per i sismometri terrestri, i VBB hanno una parte mobile che oscilla in base ai disturbi sismici, rispetto ad una parte fissa e sono progettati per rispondere a movimenti di ampiezza molto bassa, in libertà ed in assenza di attrito.
A differenza del pendolo convenzionale in cui la massa mobile è sospesa verticalmente rispetto ad una base fissa ed è soggetta alla forza di gravità che la richiama nella posizione di equilibrio durante il moto, i VBB sfruttano il principio del pendolo inverso, dove il centro di massa (mobile) è al di sopra del punto di rotazione. In questo caso, il meccanismo è decisamente più sensibile perché intrinsecamente instabile ed ha bisogno di un meccanismo di retroazione per tornare nella posizione di equilibrio.
Se il concetto può sembravi strano, allora sappiate che noi stessi possiamo essere in un certo senso assimilati ad un pendolo inverso in cui tutta la massa, il nostro corpo tenuto stabile dal complesso sistema di equilibrio posturale che risponde sia alle posizioni statiche che ai movimenti, si snoda al di sopra del punto di appoggio, i nostri piedi.
SEIS VBB: in rosso, la parte fissa, in verde la parte mobile.
© IPGP/david Ducros
Nei VBB, una sorta di barra flessibile (quella verde orizzontale nel disegno qui sopra), con una massa applicata nella parte superiore (quella verde inclinata), è saldamente ancorata ad una base fissa (la parte in rosso). La massa mobile è molto leggera (solo 190 grammi a differenza delle masse molto più pesanti dei sismometri terrestri che si avvicinano ad 1 chilogrammo) perché, alla minima spinta, tenderà comunque a spostarsi in modo irreversibile da una parte o dall'altra, a meno che il sistema non sia stato progettato per bilanciarne gli spostamenti con estrema attenzione. Questo compito è affidato alla molla lamellare a semicerchio (in basso) che mantiene in equilibrio il pendolo inverso applicando continuamente una forza di ripristino alla massa mobile ed impedendo che si rovesci cedendo alla forza di gravità. La molla è lunga 12 centimetri, larga 1,5 centimetri e piatta, con uno spessore di appena 0,12 millimetri. E' realizzata con un materiale speciale chiamato THERMELAST®, una lega di ferro e nichel quasi insensibile alle grandi variazioni termiche marziane perché in grado di immagazzinare energia di deformazione termica in forma magnetica. Lo svantaggio è ovviamente un'intolleranza maggiore ai campi magnetici, un dettaglio che dovrebbe essere trascurabile sul Pianeta Rosso (che non ha un campo magnetico globale come la Terra) ma che ha comunque richiesto l'introduzione di un magnetometro a tre assi per correggere le possibili fluttuazioni.
Il punto di ancoraggio tra la parte fissa e mobile è il perno (immagine a sinistra) che funge da articolazione e consente un movimento libero e senza attriti durante le sollecitazioni.
Una meraviglia tecnologica di 5,2 centimetri di lunghezza per 1,8 centimetri di altezza ma anche un meccanismo complesso e fragile. Realizzato principalmente in titanio, comprende una traversa superiore collegata alla parte fissa e una traversa inferiore fissata alla parte mobile tramite la molla e il perno stesso.
La barra superiore (che non può muoversi) e la barra inferiore (che può) sono collegate tra loro da 20 piccole lamelle flessibili. Realizzate in una lega di rame e berillio, queste lamelle molto fragili e delicate (il loro spessore è di soli 50 micron) si flettono per consentire alla parte mobile di muoversi rispetto alla parte fissa. Insieme formano l'asse di rotazione virtuale del pendolo: cioè, in ogni pendolo le due parti possono ruotare solo in una direzione.
Per questo motivo SEIS ha tre pendoli, uno per ogni direzione spaziale.
Non è difficile immaginare che in un tale meccanismo il grado di libertà di movimento tra le parti è necessariamente molto limitato: al massimo, la parte mobile può ruotare di soli 50 micron.
Per questo scopo è stato progettato un finecorsa regolabile ed ingegnoso, un sistema meccanico che evita qualsiasi rischio di distorsione o rottura delle lamelle.
L'articolata configurazione e le sfide che sono state affrontate in fase di progettazione, come lo spostamento in frequenza del pendolo (cioè la frequenza alla quale il pendolo è più sensibile) causato dall'abbassamento rigido delle temperature, fanno sì che ogni molla ed ogni perno sono unici e non sono intercambiabili tra loro.
In pratica, ogni pendolo è diverso dall'altro, ogni pendolo ha la propria personalità e solo quelli con le prestazioni migliori sono stati selezionati per Marte.
Ogni perno ed ogni molla di SEIS sono unici ed unico è il loro accoppiamento.
Posizione del pendolo nel VBB
© IPGP/David Ducros
Essendo SEIS un sismometro a tre assi, sarebbe logico immaginare i tre pendoli posizionati lungo le direzioni del classico sistema di riferimento cartesiano con base coincidente al piano di lavoro (e verticale coincidente con il vettore accelerazione di gravità). In realtà, sebbene i tre pendoli siano reciprocamente ortogonali tra loro, sono stati inclinati obliquamente di 32,5 gradi rispetto all'orizzontale. Questa disposizione, per quanto curiosa, garantisce una distribuzione del rumore su tutti e tre gli assi e di conseguenza migliora il rapporto segnale / rumore dello strumento. Con una geometria obliqua, infatti, tutti e tre i VBB reagiscono a qualsiasi scossa o vibrazione con intensità diverse.
Prendiamo, ad esempio, il caso di un impulso puramente verticale che agisce su un sismometro a tre assi i cui sensori sono allineati esattamente in verticale ed in orizzontale. Con una tale configurazione solo il sensore verticale verrebbe eccitato, mentre la sollecitazione rimarrebbe invisibile ai pendoli orizzontali. Diversamente, inclinando il gruppo dei tre sensori, un impulso a sola componente verticale indurrà comunque un segnale in ciascun pendolo, seppur più forte in quello più vicino alla verticale. In un certo senso, possiamo dire che una configurazione obliqua distribuisce (e quindi divide) il livello di rumore su tutti e tre i sensori, piuttosto che concentrarsi su uno solo.
Tuttavia, mentre i VBB si basano, come abbiamo visto, su concetti usati per i sismometri terrestri, altri sistemi sono stati progettati specificamente per soddisfare i requisiti della missione, rendendo SEIS assolutamente unico:
- un sofisticato meccanismo di bilanciamento consente al pendolo di adattarsi alle condizioni marziane, come la gravità ridotta o un'inclinazione della superficie su cui poggia il sismometro (qualora il sistema di livellamento dello strumento non riesca a correggerla).
- un Thermal Compensation Device Mechanism (TCDM) consente ai pendoli di adattarsi alle variazioni di temperatura giornaliere e stagionali.
- tutta l'elettronica dello strumento è inoltre progettata per resistere alle radiazioni dello spazio durante il viaggio dalla Terra a Marte (fase di crociera), così come alle proibitive temperature marziane che sono significativamente inferiori a quelle terrestri (ad eccezione che per i sismometri operativi nell'Antartico).
Il meccanismo di bilanciamento (qui a sinistra) è una piccola massa di 50 grammi che viene spostata da un motore lungo una guida.
Facendo scorrere la massa lungo il binario verso o lontano dal perno, è possibile centrare la parte mobile in modo molto preciso prima di ogni misurazione. Tale sistema viene anche usato in fase di taratura per calibrare il sismometro in base alla gravità marziana nel sito di atterraggio.
Con il passare del tempo è anche possibile che la massa mobile derivi meccanicamente a causa del lavoro del pendolo ed ancora una volta interverrà il meccanismo di equilibratura.
Il TCDM (immagine a destra) è un'altra peculiarità mariana del sismometro SEIS, ovvero è un meccanismo passivo che regola il centro di gravità del pendolo in risposta alle variazioni termiche. Infatti, nonostante tutti gli accorgimenti presi per isolare termicamente i pendoli e l'applicazione di più barriere protettive, i cambiamenti di temperatura all'interno della sfera sono e saranno inevitabili: questi raggiungeranno +/- 5° Celsius in inverno e supereranno +/- 10° Celsius in estate, con temperature medie di esercizio di -50° Celsius in inverno e -25° Celsius in estate.
Il TCDM è collegato alla massa mobile del perno ed è formato da due dispositivi di compensazione termica a forma di antenna, ancorati ad un albero centrale tramite un motore passo-passo. Le due "antenne" sono costituite da due diversi metalli intercalati ognuno dei quali ha un coefficiente di espansione diverso: quando la temperatura cambia, uno quasi non ne risente, mentre l'altro si espande o si ritrae in modo significativo e questo cambiamento di volume altera leggermente il centro di gravità del pendolo. Quindi, quando la temperatura sale all'interno della sfera, il TCDM si allunga in una direzione come una fisarmonica nel tentativo di minimizzare l'impatto della temperatura sul pendolo. Al contrario, quando la temperatura scende, il TCDM si ritrae per neutralizzare gli effetti della caduta caduta termica sul VBB.
In ogni caso, i progettisti hanno dovuto isolare i pendoli dall'ambiente esterno con uno straordinario numero di strati isolanti.
Come una matrioska, i tre pendoli sono collocati in condizioni di vuoto estremo all'interno di una sfera di titanio con un volume di 3 litri (cioè all'incirca le dimensioni di un cocomero), a sua volta racchiusa in una copertura a nido d'ape, la RWEB (Remote Warm Enclosure Box). Questa è formata da strati di Mylar® rivestiti internamente di argento ed esternamente in oro per migliorare l'isolamento termico ed utilizza l'atmosfera marziana come ulteriore cuscino protettivo. Nella parte superiore ha una piccola asta con un pomo che fa da maniglia per le dita robotiche di InSight. La manopola ha disegnata intorno anche una piccola meridiana (ormai immancabile in ogni missione sul Pianeta Rosso!) che, tuttavia, rimane coperta sotto la cupola del WTS (Wind and Thermal Shield) una volta che lo strumento è posizionato sul suolo. Questo ulteriore involucro è progettato per minimizzare gli sbalzi termici ed offrire una certa protezione contro le raffiche di vento: si tratta di una copertura in alluminio dalla forma aerodinamica con una struttura a nido d'ape, a cui è attaccata una gonna termica rivestita in oro.
© IPGP/David Ducros
A differenza delle missioni Viking, dove i sismometri sono rimasti fisicamente attaccati al lander, InSight ha la capacità di posizionare lo strumento a terra usando il braccio robotico ed una pinza. Così, una parte dell'elettronica è installata all'interno della sfera.
I DCS (Differential Capacity Sensor) sono collocati proprio sul pendolo ed hanno il compito di misurare il più piccolo movimento della massa mobile rispetto a quella fissa. Sono dei sensori di estrema precisione in grado di misurare spostamenti inferiori alla distanza tra l'elettrone e il nucleo di un atomo di idrogeno (il cosiddetto raggio di Bohr). Tuttavia, non è questo il dato sismico trasmesso a Terra agli scienziati. Il segnale viene commutato dal dispositivo di retroazione (qui a destra): tre bobine concentriche annidate fissate sulla parte mobile, con un magnete centrale imbullonato sulla parte fissa. Quella più esterna e più grande viene utilizzata per la calibrazione; quella intermedia è progettata per misurare i segnali sismici di breve periodo, le cui oscillazioni si verificano in intervalli di tempo inferiori ai 50 secondi; quella più interna e più piccola è progettata, al contrario, per seguire i segnali sismici di lungo periodo, ossia le oscillazioni più lente. Ogni volta che la massa mobile viene spostata dalle vibrazioni, le correnti elettriche generate dalla tensione attraverso il DCS e condizionate dall'elettronica del sensore vengono inviate alle due bobine di retroazione sulla parte mobile del pendolo. Interagendo con il campo magnetico creato dai magneti attaccati alle parti fisse, queste correnti creano una forza di ripristino che riporta lo spostamento a zero. Le tensioni generate da tali correnti (espresse in Volt) costituiscono la misura sismica.
Il dato sismico utile è il segnale commutato dal dispositivo di retroazione.
L'unità elettrica principale di SEIS è però contenuta all'interno di una scatola chiamata eBox all'interno di InSight. Un cavo ombelicale semirigido collega lo strumento al lander ed ha il compito di fornire energia elettrica, digitalizzare segnali e trasferire dati digitali da e verso il computer di bordo del lander.
Lungo tre metri e largo 4,5 centimetri, si srotola automaticamente quando il sismometro viene afferrato dal braccio robotico (che in alcuni casi può successivamente intervenire anche per riposizionarlo). Per evitare qualsiasi vibrazione trasmessa dal lander, il cavo è dotato di dispositivi di smorzamento.
Infine, la sfera contenente i pendoli è montata su una culla di metallo dotata di tre gambe motorizzate che fungono da livella elettronica per garantire l'operatività sul piano orizzontale, che è una condizione essenziale per il corretto funzionamento del sismometro.
Con uno spostamento verticale massimo di 6 centimetri, le gambe sono in grado di ritrarsi o estendersi per garantire che la sfera sia perfettamente orizzontale (entro 0,1 gradi). Questo meccanismo consentirà a SEIS di adattarsi a pendenze fino a 15 gradi, mantenendo i VBB con un angolo di 32,5 gradi rispetto all'orizzontale come da progetto. Il secondo compito della culla è quello di assicurare un contatto ottimale con il terreno, dato che non sarà possibile registrare alcun segnale sismico valido a meno che non vi sia un buon accoppiamento con la superficie marziana, stabile nel tempo.
Le gambe motorizzate terminano quindi con una forma conica per facilitare la perforazione del suolo ed aumentare la stabilità dello strumento. Un anello di metallo leggermente più in alto impedisce una penetrazione troppo profonda e migliora il contatto con il terreno. Infine, dei piccoli collari fatti di materiale isolante proteggono la meccanica dalla polvere e dalle variazioni termiche.
© IPGP/David Ducros
Oltre ai pendoli Very Broad Band (VBB), il sismometro SEIS ha un set di tre sensori a breve periodo (SP) sensibili alle onde sismiche con frequenza compresa tra 0,1 e 50 Hertz.
Il ruolo del sismometro a breve periodo, anche se non è considerato fondamentale per la missione, è quello di fornire una ridondanza parziale nel caso in cui i VBB falliscano (tra 0,1 e 10 Herz le gamme operative dei due tipi di pendoli si sovrappongono). In altre parole, i sensori SP possono essere visti, metaforicamente parlando, come un secondo paio di orecchie.
Al contrario dei pendoli VBB che hanno una massa e un volume significativi, i sensori sismici a breve periodo sono stati notevolmente miniaturizzati. Incisi in un wafer di silicio, sono leggeri e non più grandi di una moneta da 1 euro. La massa mobile di ciascun sensore è di appena 1 grammo, contro 190 grammi dei VBB. Nonostante le ridotte dimensioni e l'apparente semplicità, il sismometro SP è in grado di rilevare le vibrazioni in tutte e tre le direzioni spaziali ed è stato progettato per funzionare anche se non perfettamente in piano.
I sensori a breve periodo (SP) coprono il range da 0,1 a 50 Hertz.
Il 18 dicembre 2018 gli ingegneri hanno inviato i comandi ed al tramonto del giorno successivo (sol 22) il sismometro SEIS è stato posato sulla superficie di Marte dal braccio robotico del lander, il più lontano possibile (a 1.636 metri di distanza). Lo strumento è finito su un terreno inclinato di 2 o 3 gradi per cui sarà necessaria la procedura di livellamento.
Lo spiegamento è avvenuto al calare del Sole per questioni termiche. Anche se il braccio robotico può lavorare di giorno, nelle ore più calde il lubrificante dei motori tende a scaldarsi: questo fattore più un carico consistente, come può essere il sismometro, posizionato proprio all'estremità avrebbe potuto causare un abbassamento precoce del braccio. Per cui gli ingegneri, che volevano arrivare alla massima distanza, hanno scelto di operare in condizioni di temperatura ottimali (che sono disponibili circa 45 minuti all'alba e 45 minuti al tramonto).
Il prossimo passo sarà coprire SEIS con la cupola WTS per proteggerlo dal vento, dal calore diurno e dal freddo notturno.
Poco dopo l'atterraggio, il team aveva convertito in un documento sonoro le vibrazioni rilevate dal sismometro e causate dal vento (che in quel momento stava soffiando tra i 5 ed i 7 metri al secondo, da nord-ovest a sud-est) sui pannelli solari di InSight.
Sequenza di immagini riprese dalla IDC durante il sol 20 nel momento in cui il sismografo SEIS viene posato sul suolo marziano.
Crediti: NASA/JPL-Caltech - Processing: Marco Di Lorenzo
Maggiori informazioni: https://www.seis-insight.eu/en/public-2/seis-instrument/summary
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