Scritto: Giovedì, 11 Luglio 2019 19:05 Ultima modifica: Lunedì, 15 Luglio 2019 06:19

Voyager 2: strumento CRS spento, anzi no!


Lo storico esploratore robotico conferma la sua impressionante robustezza anche di fronte alla necessità di ridurre al minimo il consumo di energia...

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collocazione dello strumento CRS in una rappresentazione artistica della sonda collocazione dello strumento CRS in una rappresentazione artistica della sonda credit: NASA/JPL-Caltech - Processing: Marco Di Lorenzo

 Le due venerande sonde Voyager, in viaggio da ormai 42 anni, continuano a dare prova di grande resistenza, pur nelle condizioni estreme del gelido spazio interstellare1. Questo insperato successo è frutto di un'ottima progettazione e di un'attenta pianificazione, con sprazzi di creatività da parte degli ingegneri del JPL responsabili della missione più longeva nella storia dell'astronautica. Per garantire che questi robot vintage continuino a trasmettere i migliori dati scientifici possibili da oltre i confini del Sistema Solare, gli addetti alla missione stanno ora implementando un nuovo piano per gestirli, anche se questo implica delle scelte difficili, in particolare su strumenti e propulsori.
 Il problema chiave è che entrambe le Voyager, lanciate nel 1977, hanno sempre meno potenza a disposizione per far funzionare i loro strumenti scientifici e i riscaldatori che li mantengono a temperatura operativa. Gli ingegneri hanno dovuto decidere quali parti devono mantenere energia e quali devono essere spente su entrambi i veicoli, ma queste decisioni devono essere prese prima per Voyager 2 rispetto a Voyager 1 perché la prima ha uno strumento scientifico funzionante in più che assorbe energia.
 Per questo, dopo lunghe discussioni con il team scientifico, i responsabili della missione hanno recentemente disattivato il riscaldatore per il sistema destinato ad analizzare i raggi cosmici (CRS) su Voyager 2; questo strumento ha svolto un ruolo cruciale lo scorso novembre, aiutando a stabilire che Voyager 2 era uscita dall'eliosfera, la bolla protettiva creata da un deflusso (o vento) costante di particelle ionizzate dal Sole. Da allora, i due Voyager hanno inviato dettagli su come la nostra eliosfera interagisce con il mezzo interstellare.


CRS comparison

Confronto tra gli andamenti dei raggi cosmici registrati dagli strumenti CRS di Voyager 1 e 2 al momento dell'attraversamento dell'eliopausa; in alto i valori giornalieri ad alta energia, in basso a bassa energia. Naturalmente, le date di Voyager-1 sono state spostate in avanti di 6 anni e 4 mesi e, per i raggi cosmici ad alta energia, i conteggi di Voyager-2 sono stati ridotti dell' 8% per adattarli a quelli della sonda gemella. - Credits: NASA’s Jet Propulsion Laboratory/NASA Headquarters/Patrick Koehn - Processing: Marco Di Lorenzo

 La cosa bella è che, anche dopo lo spegnimento del sistema che lo teneva nelle condizioni termiche previste, lo strumento CRS sta ancora raccogliendo dati; questo nonostante il calo drastico di temperatura a -59 gradi Celsius! Si tenga presente che, prima del lancio, il funzionamento del CRS venne testato fino a -45° C; qualcosa del genere era successo già su un altro strumento di Voyager-1 (lo spettrometro ultravioletto) che ha funzionato per anni dopo lo spegnimento dei riscaldatori nel 2012. La bassa temperatura potrebbe però avere leggermente abbassato i valori delle letture, sulla base degli ultimi grafici pubblicati sul sito dedicato e riportati nel grafico seguente, dove sono fusi insieme i dati dei due canali a bassa e alta energia

cold CRS

Conteggi recenti nei due canali CRS: LA1 (nuclei con energia > 0.5 MeV, principalmente protoni di origine solare) e PGH (nuclei oltre 70 MeV, di origine galattica) - Credits: NASA/JPL - Processing: Marco Di Lorenzo 


 "È incredibile che gli strumenti dei Voyager si siano dimostrati così resistenti", ha dichiarato la responsabile del progetto Voyager, Suzanne Dodd del JPL. "Siamo orgogliosi di aver resistito alla prova del tempo: la lunga vita della navicella significa che abbiamo a che fare con scenari che non avremmo mai pensato di incontrare. Continueremo a esplorare ogni opzione che abbiamo per mantenere in funzione le Voyager facendo la migliore scienza possibile".
 Oltre allo strumento a raggi cosmici, che rileva particelle ad alta anergia che possono provenire dal Sole o da fonti esterne al nostro sistema solare, il veicolo spaziale sta operando due strumenti dedicati allo studio del plasma (il Plasma Science, PLS e il Plasma Wave Subsystem , PWS) e un magnetometro MAG, utili per l'analisi delle nubi di materiale nello spazio interstellare. C'è poi il "Low-Energy Charged Particles" (LECP), lo strumento per particelle cariche a bassa energia è particolarmente utile per studiare la regione esterna all'eliosfera; poiché esso riesce a prendere dati da una serie di direzioni, mentre il CRS può guardare solo in certe direzioni fisse, il team scientifico della Voyager ha deciso di disattivare prima il riscaldatore del CRS.

 In questo momento, Voyager-2 si trova a 18,13 miliardi di km dal Sole, pari a 121,2 unità astronomiche, e si sta allontanando da esso a 15,33 km/s; i segnali radio impiegano la bellezza di 16 ore e 41 minuti per giungere a noi. La gemella Voyager 1, che ha attraversato l'eliopausa nell'agosto 2012, continua a raccogliere dati anche dal suo strumento a raggi cosmici, oltre che dallo strumento al plasma PWS (il PLS è invece non operativo da tempo), dal magnetometro e dal LECP. E' l'oggetto più remoto dal Sole, 21,88 miliardi di km (146,25 ua, 20 ore e 10 min luce), recedendo a una velocità di 16,97 km/s.

 Ma perché sono così importanti i riscaldatori? Il motivo è che gli ingegneri devono controllare attentamente la temperatura su entrambi i veicoli spaziali per mantenerli operativi; ad esempio, se le linee di carburante che alimentano i propulsori di manovra dovessero congelarsi, il veicolo spaziale cambierebbe orientamento e le antenne potrebbero smettere di puntare verso la Terra, impedendo di inviare comandi o ricevere dati scientifici. Questa richiesta di energia, che attualmente ammonta a circa 232 Watt, non può essere certo soddisfatta da pannelli solari, dato che a quella distanza dal Sole l'irraggiamento luminoso è 15-20 mila volte inferiore a quello sulla Terra e tali pannelli dovrebbero quindi estendersi per qualche ettaro! Naturalmente, i progettisti hanno rimediato fornendo, come fonte di energia di ciascuna sonda, tre generatori termoelettrici radioisotopi, o RTG; questi producono calore attraverso il decadimento naturale dei radioisotopi di plutonio-238 e convertono il calore in energia elettrica tramite delle termocoppie in Silicio-Germanio, sfruttando l'effetto Seebeck. Purtroppo, sia la radioattività del plutonio che l'efficienza interna del dispositivo diminuiscono nel tempo e così, ogni anno, i generatori producono circa 4 watt di potenza elettrica in meno, come evidenziato nel grafico sottostante, dove i dati reali sono tratti dai vecchi "weekly report"2, mentre le rette sono estrapolazioni basate su di essi secondo una legge esponenziale negativa, che mostra un tempo caratteristico di decadimento pari a 65 anni circa, circa la metà di quello dovuto al semplice decadimento del Plutonio3, evidentemente a causa del suddetto decadimento dell'efficienza. 

Energia

Energia prodotta dai generatori RTG su Voyager-1 (in blu) e Voyager-2 (in rosso) nel tempo. I simboli sono dati reali mentre le linee sono estrapolazioni. -  Data source: NASA/JPL - Processing/plot: Marco Di Lorenzo

 Oggi i generatori producono circa il 40% di potenza in meno rispetto al momento del lancio e questo limita fortemente il numero di sistemi che possono funzionare sul veicolo spaziale; nei prossimi anni, assisteremo allo spegnimento di altri sistemi di riscaldamento e si stima che, dalla metà del prossimo decennio, le due sonde potrebbero non essere più in grado di funzionare.
 Un'altra sfida che gli ingegneri hanno dovuto affrontare riguarda il degrado di alcuni propulsori a idrazina, che sparano in piccoli impulsi per ruotare delicatamente il veicolo spaziale. Questo è diventato un problema nel 2017, quando i controllori delle missioni hanno notato che una serie di propulsori su Voyager 1 aveva bisogno di emettere più manovre per mantenere l'antenna dell'astronave puntata verso la Terra; il maggiore consumo di combustibile, in realtà, si poteva notare già dalla fine del 2010, come documentato dai suddetti Weekly Reports:

Propellente
Combustibile a disposizione nel tempo. I simboli sono dati reali mentre le linee tratteggiate sono estrapolazioni. -  Data source: NASA/JPL - Processing/plot: Marco Di Lorenzo

 Come raccontato anche in questo Blog, per assicurarsi che il veicolo spaziale potesse continuare a mantenere l'orientamento corretto, il team attivò con successo un altro gruppo di propulsori su Voyager 1 che non era stato utilizzato in 37 anni. Presumibilmente, quindi, la retta che nel grafico interpola l'andamento precedente adesso non è più rispettata e la pendenza è minore, altrimenti il combustibile si esaurirebbe a inizio 2023, prima dell'esaurimento dell'energia.

 La novità è che anche i propulsori della Voyager 2 hanno iniziato a degradarsi e i responsabili della missione hanno deciso di effettuare lo stesso scambio del sistema di propulsione durante questo mese. L'ultima volta che Voyager 2 usò questi propulsori, fu  durante l'incontro con Nettuno nel 1989.

 Il piano degli ingegneri per gestire la potenza e le parti obsolete dovrebbe garantire che Voyager 1 e 2 possano continuare a raccogliere dati dallo spazio interstellare per diversi anni a venire. I dati dei Voyager continuano a fornire agli scienziati osservazioni "in loco" del nostro confine con lo spazio interstellare, completando quelle fatte a distanza con IBEX (Interstellar Boundary Explorer) e quelle che farà IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe), entrambi della NASA.

 

Note:

1)  Personalmente, poi, mi sento particolarmente legato alla loro missione poiché esse sono partite proprio quando, da ragazzo, cominciai ad appassionarmi seriamente all'astronautica e all'astronomia; da allora hanno accompagnato la mia passione senza mai tradirmi! 

2) Purtroppo questa preziosa risorsa è stata inspiegabilmente cancellata dalla NASA oltre 4 anni fa. Per fortuna, qualcuno ha provveduto a salvare i vecchi reports in questa pagina:  https://web.archive.org/web/20150427094931/http://voyager.jpl.nasa.gov/mission/weekly-reports/

3) Il tempo caratteristico τ indica quello necessario a ridurre di un fattore e la quantità in esame. Esso è legato al più popolare tempo di dimezzamento T dalla relazione T=τ ln(2); nel caso del Pu-238, T=87,7 anni e quindi τ = 126,5 anni.

 

Riferimenti:
https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7446

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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!

https://www.facebook.com/marco.lorenzo.58 | Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.

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