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La missione spaziale Rosetta verso la cometa 46P/Wirtanen: sviluppo, realizzazione e test del sistema di rivelazione
grani GDS per lo strumento GIADA

Elena Epifani¹

Supervisor: E. Bussoletti²

¹ Università degli Studi "Federico II", Napoli. Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale
² Università degli Studi "Parthenope", Napoli. Dipartimento di Matematica, Fisica ed Applicazioni

Abstract

La ricerca astronomica sulle origini del Sistema Solare e sulle comete, tra gli oggetti più affascinanti del suo complesso, ha suscitato negli ultimi dieci anni un rinnovato interesse nella comunità scientifica internazionale e ha esercitato una forte presa sull'opinione pubblica, alimentata tra l'altro dal recente passaggio di due delle comete più spettacolari del secolo: la C/1996 B2 (Hyakutake) nel Marzo 1996 e la C/1995 O1 (Hale-Bopp) nell'Aprile del 1997.
Le comete rappresentano infatti una importante chiave di volta per approfondire le nostre conoscenze sulla formazione e sui processi di evoluzione del Sistema Solare, in quanto sono i testimoni quasi indifferenziati della fase presolare della nube da cui, per contrazione gravitazionale e accrescimento del materiale solido, si sono formati il Sole, i pianeti interni e quelli esterni nel corso dei circa 109 anni di evoluzione che hanno portato il Sistema nella forma attuale.
La prima cometa visitata da una sonda spaziale fu la 1P/Halley¹, bersaglio di un'intera flotta di sonde in occasione del suo passaggio al perielio nel 1986: in particolare, l'europea GIOTTO (Reinhard, 1986), con a bordo un carico scientifico di 12 strumenti compresa una camera, passò a soli 596 km dal nucleo cometario, osservando per la prima volta in situ un nucleo in piena attività e fornendo misure di polvere, gas e plasma nella chioma interna ed esterna, fino a quel momento osservate solo da telescopi da terra.
Sin da allora, è apparso sempre più chiaro che un cruciale contributo al miglioramento delle conoscenze su questi oggetti non può che venire da missioni spaziali appositamente progettate, per confermare le ipotesi basate sui modelli teorici, relativi soprattutto alla morfologia e alla composizione del nucleo e della chioma cometaria. In ordine di tempo, l'ultimo incontro di una sonda con una cometa è avvenuto il 10 Luglio 1992, quando la sonda GIOTTO ha avvicinato alla distanza di circa 200 km il nucleo della P/Grigg-Skjellerup durante la Giotto Extended Mission (GEM) (Festou et al., 1993).
Varie missioni spaziali aventi come bersaglio una o più comete sono attualmente in fase di progettazione o sono già state lanciate dalle agenzie spaziali statunitense ed europea. La sonda americana STARDUST (cometa bersaglio: 81/Wild 2) (Reichhardt, 1995; Huntress, 1999), lanciata nel Febbraio del 1999, fa parte del Discovery Program della NASA. Essa ha come obiettivi la raccolta, tramite un sistema ad aerogel², di materiale refrattario dalla chioma cometaria da riportare a terra, la misura dei flussi di polvere e l'analisi in situ delle proprietà fisico-chimiche della polvere cometaria.
Del Discovery Program fa parte anche la sonda CONTOUR (Huntress, 1999), programmata per il lancio nell'Agosto 2002, che ha come obiettivo uno studio approfondito delle proprietà comuni e delle diversità tra tre nuclei cometari (comete bersaglio: 2P/Encke, 73P/Schwassmann-Wachmann-3 1 e 6P/D'Arrest): forma e eterogeneità del nucleo, struttura superficiale, composizione di gas e polvere.
Il New Millenium Program della NASA è invece fondamentalmente un programma rivolto allo sviluppo tecnologico, che ha però anche un riscontro scientifico. Ne fa parte la missione DS-1 (Huntress, 1999), il cui bersaglio principale è l'asteroide 1992 KD, ma è prevista l'estensione della missione per l'incontro con le comete 19P/Borrelly e D/1952 B1 (P/Wilson-Harrington). La funzione principale della DS-1 è testare tecnologie avanzate per un satellite, soprattutto la propulsione elettrica solare, un sistema di navigazione e governo autonomo e nuovi strumenti di telecomunicazione.
Sul fronte europeo, l'ESA ha approntato negli ultimi quindici anni il programma a lungo termine Space Science Horizon 2000 (Bleeker et al., 1984), evoluto poi nel programma Horizon 2000 Plus (Woltjer et al., 1995). La missione più ambiziosa del progetto è ROSETTA (Bar-Nun et al., 1993; Schwehm & Schulz, 1999), che avrà un incontro tipo rendez-vous con la cometa 46P/Wirtanen, e due fly-by con gli asteroidi Otawara e Siwa. Gli scopi della missione sono molteplici, per perseguire i quali sulla sonda verranno ospitati 11 strumenti, tra cui spettrometri dal Visibile al vicino IR, al millimetrico, strumenti per lo studio della composizione del gas e della polvere della chioma, un microscopio a forza atomica.
Lo studio di fattibilità della missione ha avuto termine alla fine del 1993, e il carico scientifico è stato preselezionato a Febbraio del 1996. A seguito di tale fase, l'Italia risultava coinvolta a diverso livello in diversi strumenti, tra cui l'analizzatore di flussi di polvere DFA (realizzazione di uno dei sottosistemi). Dal 1997, il coinvolgimento in questo esperimento si è ulteriormente ampliato con l'assunzione della PIship, il che ha comportato un riesame dell'intero strumento ed un suo potenziamento. Nasceva così il progetto GIADA (Grain Impact Analyser and Dust Accumulator), (PI: L. Colangeli, OAC Napoli), la cui responsabilità è stata assunta dal Laboratorio di Fisica Cosmica, gestito dall'Osservatorio Astronomico di Capodimonte e dall'Istituto Universitario Navale di Napoli. Lo sviluppo dello strumento è garantito da un consorzio internazionale di cui fa parte, oltre all'Italia, la Spagna (responsabilità dell'elettronica principale), con partecipazione della Francia, dell'Inghilterra, della Germania e degli USA.
In questo contesto si inserisce la mia tesi di dottorato in Ingegneria Aerospaziale, qui presentata. Nel triennio di lavoro la mia attività è stata quella di elaborare strategie di progettazione e di analisi delle prestazioni attese e reali di uno dei sistemi che compongono lo strumento GIADA, il Grain Detection System (GDS) per la rivelazione di polvere di grani cometari. A valle di ciò, il lavoro si è articolato come segue: a) progettare e assemblare in laboratorio il Modello di Sviluppo (DM), in modo da studiarne le prestazioni e confrontarle con le previsioni ottenute da modelli di simulazione; b) progettare il Modello di Volo (FM) e simularne le prestazioni; c) realizzare un prototipo del FM e testarne le prestazioni in laboratorio; d) predisporre le procedure di calibrazione del Modello di Qualifica (QM) e del FM.

Nel primo capitolo della tesi presento le attuali conoscenze sulle comete, in riferimento alla loro importanza nell'ambito dello studio del Sistema Solare, ed in particolare sulla cometa bersaglio della sonda, 46P/Wirtanen. Illustro inoltre le caratteristiche generali della missione Rosetta e le specifiche ingegneristiche e tecniche più significative della sonda spaziale.
Il secondo capitolo è dedicato alla descrizione dello strumento GIADA. Ho posto un particolare accento sugli obiettivi scientifici, che giustificano l'adozione di uno strumento formato da differenti sottosistemi atti a misurare diverse proprietà indipendenti della polvere cometaria. Presento l'ambiente di polvere atteso alla cometa e, sulla base delle esigenze scientifiche dello strumento, introduco quindi quello che è stato l'oggetto principale della mia attività di ricerca in questo triennio: il sistema GDS.
Nel terzo capitolo descrivo il processo di progettazione, realizzazione su banco ottico e test del DM del GDS: presento gli elementi utilizzati e il loro assemblaggio, nonché i test di prestazione, i primi test di passaggio grani e le simulazioni effettuate secondo modelli. Questi test sono essenziali per verificare il principio di funzionamento del GDS e per evidenziare i pregi e i punti deboli del sistema.
Nel quarto capitolo, cuore del mio lavoro di tesi, illustro la progettazione del FM e dei vari componenti che saranno utilizzati nella versione finale dello strumento, anche alla luce dei test effettuati sul DM. Descrivo inoltre i risultati ottenuti dalla simulazione della risposta dello strumento alla radiazione spuria diffusa: presento le varie possibili fonti di stray light e descrivo le conseguenze sulle prestazioni dello strumento. In questo capitolo presento anche uno studio approfondito sulle prestazioni attese e illustro quindi l'efficacia del GDS nel rispondere alle esigenze scientifiche per le quali è stato progettato.
Nel quinto capitolo descrivo i test effettuati sugli elementi ottici selezionati o appositamente progettati e realizzati per il FM e illustro i risultati ottenuti. Descrivo inoltre la strategia che sarà alla base della calibrazione dei modelli finali del GDS (QM, FM e Flight Spare, il modello di volo di riserva).
A conclusione del lavoro, illustro i risultati raggiunti e descrivo i passi futuri del progetto GIADA, alla luce delle scadenze ravvicinate nei confronti dell'ESA e della consegna del FM nel Giugno del 2001.
Il lavoro svolto in questa tesi, a diversi livelli nel corso del suo svolgimento, è stato presentato in numerose conferenze nazionali e internazionali. La mia attività in questi tre anni di dottorato ha comportato anche la partecipazione a diversi meeting internazionali per la presentazione dei risultati ottenuti e a numerose riunioni tecniche per la discussione di questioni da gestire nell'ambito del consorzio internazionale GIADA ed in collaborazione con il partner industriale italiano del progetto, le Officine Galileo (Campi Bisenzio - Firenze). Inoltre, il lavoro effettuato è stato utile alla stesura di diversi articoli pubblicati o sottomessi per la pubblicazione in proceedings di conferenze e riviste internazionali con referees.

¹Il codice di denominazione delle comete prevede l'uso della P se il periodo è inferiore a 200 anni (comete a corto periodo), preceduto da un numero progressivo che indica l'ordine della scoperta.
²L'aerogel è un materiale sintetico a base di Silicio, fortemente poroso, che permette la cattura di grani intatti (Burchell et al., 1999)