È incredibile pensare che ci siano telescopi nello spazio, proprio ora, che dirigono il loro sguardo su oggetti distanti per ore, giorni e persino settimane. Fornendo un punto di vista così stabile e accurato da poter apprendere dettagli su galassie, esopianeti e altro ancora.
E poi, quando il tempo è scaduto, l'astronave può spostare lo sguardo in un'altra direzione. Il tutto senza l'utilizzo di carburante.
Tutto grazie alla tecnologia delle ruote di reazione e dei giroscopi. Parliamo di come funzionano, di come sono diversi e di come il loro fallimento ha posto fine alle missioni in passato.
Ecco la risposta rapida. Le ruote di reazione consentono ai veicoli spaziali di cambiare il loro orientamento nello spazio, mentre i giroscopi mantengono un telescopio incredibilmente stabile, in modo che possano puntare su un bersaglio con elevata precisione.
Se hai ascoltato abbastanza episodi di Astronomy Cast, sai che mi lamento sempre delle ruote di reazione. Sembra sempre essere il punto di fallimento nelle missioni, ponendole fine prematuramente prima che la scienza sia completamente coinvolta.
Probabilmente ho usato i termini ruote di reazione e giroscopi in modo intercambiabile in passato, ma hanno scopi leggermente diversi.
Una delle ruote a reazione ad alte prestazioni trasportate da Kepler, Dawn e molte altre missioni della NASA. Credito: Ball Aerospace
Innanzitutto, parliamo di ruote di reazione. Si tratta di un tipo di volano utilizzato per modificare l'orientamento di un veicolo spaziale. Pensa a un telescopio spaziale che deve passare da un bersaglio all'altro o a un veicolo spaziale che deve tornare sulla Terra per comunicare i dati.
Sono anche conosciute come ruote di slancio.
Non c'è resistenza dell'aria nello spazio. Quando una ruota gira in una direzione, l'intero telescopio gira nella direzione opposta, grazie alla Terza Legge di Newton - sai, per ogni azione, c'è una reazione uguale e contraria. Con le ruote che girano in tutte e tre le direzioni, puoi girare il telescopio nella direzione che preferisci.
Le ruote sono fissate in posizione e girano in mezzo 1.000 e 4.000 giri al minuto, accumulando momento angolare nel veicolo spaziale. Per cambiare l'orientamento del veicolo spaziale, cambiano la velocità con cui le ruote girano.
Layout del telescopio spaziale Kepler, comprese le sue 4 ruote di reazione. Credito: NASA Ames / Ball Aerospace
Questo crea una coppia che fa sì che il veicolo spaziale sposti il suo orientamento, o precessione, in una direzione prescelta.
Questa tecnologia funziona solo con l'elettricità, il che significa che non è necessario utilizzare il propellente per modificare l'orientamento del telescopio. Finché hai abbastanza rotori che girano, puoi continuare a cambiare direzione, usando solo l'energia del sole.
Le ruote di reazione sono utilizzate praticamente su tutti i veicoli spaziali, dai minuscoli Cubesat al telescopio spaziale Hubble.
Con tre ruote, puoi cambiare il tuo orientamento in qualsiasi punto in 3 dimensioni. Ma LightSail 2 della Planetary Society ha solo una singola ruota di slancio per spostare l'orientamento della sua vela solare, da bordo in su al Sole e poi di lato per alzare la sua orbita dalla sola luce solare.
Foto dello spiegamento della vela di LightSail 2. Credito: The Planetary Society
Naturalmente, abbiamo più familiarità con le ruote a reazione a causa delle volte in cui hanno fallito, mettendo fuori servizio i veicoli spaziali. Missioni come FUSE e Hayabusa di JAXA.
La perdita delle ruote di reazione di Keplero e la soluzione geniale
Il più famoso, Il telescopio spaziale Kepler della NASA , lanciato il 9 marzo 2009 per trovare pianeti in orbita attorno ad altre stelle. Kepler era dotato di 4 ruote di reazione. Tre erano necessari per mantenere il telescopio puntato con attenzione su una regione di cielo, e poi uno di riserva.
Un'illustrazione artistica della navicella spaziale Kepler della NASA. La missione Kepler è quasi finita e l'ultimo carburante viene riservato per assicurarsi che i dati arrivino a casa. Immagine: NASA/Kepler
Stava osservando che qualsiasi stella nel suo campo visivo cambiava di luminosità di un fattore di 1 su 10.000, indicando che un pianeta poteva passare davanti. Per risparmiare larghezza di banda, Kepler in realtà trasmetteva solo informazioni sul cambiamento di luminosità delle stelle stesse.
Nel luglio 2012, una delle quattro ruote di reazione di Keplero fallì. Ne aveva ancora tre, che era il minimo necessario per essere abbastanza stabile da continuare le sue osservazioni. E poi, nel maggio 2013, la NASA ha annunciato che Kepler aveva avuto un guasto con un'altra delle sue ruote. Quindi erano scesi a due.
Ciò fermò le principali operazioni scientifiche di Keplero. Con solo due ruote in funzione, non poteva più mantenere la sua posizione abbastanza accuratamente da seguire la luminosità della stella..
Sebbene la missione avrebbe potuto essere un fallimento, gli ingegneri hanno escogitato una strategia ingegnosa, utilizzando la leggera pressione del Sole per agire come una forza su un asse. Bilanciando perfettamente la navicella alla luce del sole, sono stati in grado di continuare a utilizzare le altre due ruote di reazione per continuare a fare osservazioni.
Infografica che mostra come il telescopio spaziale Kepler ha continuato a cercare pianeti nonostante due ruote di reazione rotte. Credito: NASA Ames/W Stenzel
Ma Keplero è stato costretto a guardare il minuscolo punto nel cielo che si è allineato con il suo nuovo orientamento, e ha spostato la sua missione scientifica alla ricerca di pianeti in orbita attorno a stelle nane rosse. Ha esaurito il propellente di bordo tornando sulla Terra per trasmettere i dati. Kepler ha finito il carburante il 30 ottobre 2018 e la NASA ha concluso la sua missione.
Nello stesso momento in cui Kepler stava lottando con le sue ruote di reazione, la missione Dawn della NASA aveva problemi con le stesse identiche ruote di reazione.
La perdita delle ruote di reazione di Dawn
Dawn è stata lanciata il 27 settembre 2007 con l'obiettivo di esplorare i due dei più grandi asteroidi del Sistema Solare: Vesta e Cerere. La navicella spaziale è entrata in orbita intorno a Vesta nel luglio 2011 e ha trascorso l'anno successivo a studiare e mappare il mondo.
Un'illustrazione artistica della navicella spaziale Dawn della NASA con il suo sistema di propulsione ionica che si avvicina a Cerere. Immagine: NASA/JPL-Caltech.
Doveva lasciare Vesta e partire per Cerere nell'agosto 2012 , ma la partenza è stata ritardata di oltre un mese a causa di problemi con le sue ruote di reazione . A partire dal 2010, gli ingegneri hanno rilevato sempre più attrito in una delle sue ruote, quindi la navicella è passata alle tre ruote funzionanti.
E poi, nel 2012, anche la seconda delle sue ruote ha iniziato a guadagnare attrito e alla navicella sono rimaste solo due ruote rimanenti. Non abbastanza per mantenerlo completamente orientato nello spazio usando solo l'elettricità. Ciò significava che doveva iniziare a utilizzare il suo propellente idrazina per mantenere il suo orientamento per il resto della sua missione.
Tre vedute del vulcano di ghiaccio Ahuna Mons. In alto è una ricostruzione del vulcano da dati topografici, l'immagine a sinistra è stata catturata dalla fotocamera di Dawn e l'immagine a falsi colori a destra mostra la presenza di carbonato di sodio in rosso e verde. Immagine: di NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA/ASI/INAF
L'alba è arrivata a Cerere, e attraverso un attento uso del propellente è stata in grado di mappare questo mondo e le sue bizzarre caratteristiche della superficie. Alla fine, alla fine del 2018, la navicella aveva esaurito il propellente e non era più in grado di mantenere il suo orientamento, di mappare Cerere o di inviare i suoi segnali sulla Terra.
La navicella continuerà a orbitare intorno a Cerere, cadendo impotente.
C'è una lunga lista di missioni le cui ruote di reazione hanno fallito. E ora gli scienziati pensano di sapere perché. C'era un documento pubblicato nel 2017 che ha determinato che l'ambiente dello spazio stesso sta causando il problema. Quando le tempeste geomagnetiche passano il veicolo spaziale, generano cariche sulle ruote di reazione che causano un aumento dell'attrito e le fanno consumare più rapidamente.
Metterò un link a a bel video di Scott Manley che va più nel dettaglio.
Il telescopio spaziale Hubble e i suoi giroscopi
Il telescopio spaziale Hubble è dotato di ruote di reazione per cambiare il suo orientamento generale, ruotando l'intero telescopio alla velocità di una lancetta dei minuti su un orologio - 90 gradi in 15 minuti.
Ma per rimanere puntato su un unico obiettivo, utilizza un'altra tecnologia: i giroscopi.
Il telescopio spaziale Hubble della NASA. Crediti: NASA
Ci sono 6 giroscopi su Hubble che girano a 19.200 giri al minuto. Sono grandi, massicci e ruotano così velocemente che la loro inerzia resiste a qualsiasi cambiamento nell'orientamento del telescopio. Funziona meglio con tre, facendo corrispondere le tre dimensioni dello spazio, ma può operare con due, o anche uno, con risultati meno accurati.
Nell'agosto 2005, i giroscopi di Hubble si stavano esaurendo e la NASA passò alla modalità a due giroscopi. Nel 2009, durante la missione di assistenza 4, gli astronauti della NASA hanno visitato il telescopio spaziale e hanno sostituito tutti e sei i suoi giroscopi.
STS61 è stata la prima missione di manutenzione del telescopio spaziale Hubble. Credito: NASA
Questa è probabilmente l'ultima volta che gli astronauti visiteranno Hubble e il suo futuro dipenderà dalla durata di questi giroscopi.
E James Webb?
So che la semplice menzione del telescopio spaziale James Webb rende tutti nervosi. Più di $ 8 miliardi di dollari investiti finora e il cui lancio è previsto tra circa due anni. Volerà verso il punto di Lagrange Terra-Sole L2, situato a circa 1,5 milioni di chilometri dalla Terra.
Illustrazione del telescopio spaziale James Webb della NASA. Crediti: NASA
A differenza di Hubble, non c'è modo di far volare il James Webb per ripararlo se qualcosa va storto. E visto che spesso i giroscopi hanno fallito, questo sembra davvero un pericoloso punto debole. E se i giroscopi di James Webb si guastano? Come possiamo sostituirli.
James Webb ha ruote di reazione a bordo. Sono costruiti da Rockwell Collins Germania , e sono simili alle ruote di reazione a bordo delle missioni Chandra, EOS Aqua e Aura della NASA, quindi una tecnologia diversa dalle ruote di reazione fallite su Dawn e Kepler. La missione Aura ha spaventato nel 2016 quando una delle sue ruote di reazione si è capovolta, ma è stata recuperata dopo dieci giorni.
Il giroscopio risonatore emisferico (HRG), chiamato anche giroscopio a bicchiere di vino o giroscopio a fungo, utilizza un sottile guscio semisferico a stato solido, ancorato da uno stelo spesso. Credito: Sagem CC BY 4.0
James Webb non sta usando giroscopi meccanici come Hubble per mantenerlo sul bersaglio. Invece, utilizza una tecnologia diversa chiamata giroscopi risonatori emisferici o HRG.
Questi utilizzano una semisfera di quarzo che è stata modellata in modo molto preciso in modo che risuoni in modo molto prevedibile. L'emisfero è circondato da elettrodi che guidano la risonanza, ma rilevano anche piccoli cambiamenti nel suo orientamento.
So che suona incomprensibile, come se fosse alimentato dai sogni degli unicorni, ma puoi sperimentarlo da solo.
Tieni un bicchiere da vino e poi toccalo con il dito in modo che squilli. Lo squillo è il bicchiere di vino che si flette avanti e indietro al suo posto frequenza di risonanza . Mentre ruoti il vetro, anche la flessione avanti e indietro ruota, ma è in ritardo rispetto all'orientamento in un modo molto prevedibile.
Quando queste oscillazioni si verificano migliaia di volte al secondo in un cristallo di quarzo, è possibile rilevare piccoli movimenti e quindi renderne conto.
È così che James Webb rimarrà bloccato sui suoi obiettivi.
Rappresentazione artistica dell'orbiter Cassini che entra nell'atmosfera di Saturno. Credito: NASA/JPL
Questa tecnologia ha volato sulla missione Cassini su Saturno e ha funzionato perfettamente. Infatti, a partire dal giugno 2011, la NASA aveva riferito che questi strumenti avevano sperimentato 18 milioni di ore di funzionamento continuo nello spazio su più di 125 veicoli spaziali diversi senza un singolo guasto. In realtà è molto affidabile.
Spero che chiarisca le cose. Le ruote di reazione o di impulso vengono utilizzate per riorientare i veicoli spaziali nello spazio, in modo che possano essere rivolti in direzioni diverse senza utilizzare propellente.
I giroscopi vengono utilizzati per mantenere un telescopio spaziale puntato con precisione su un bersaglio, per fornire i migliori dati scientifici. Possono essere ruote meccaniche che girano o usano la risonanza dei cristalli vibranti per rilevare i cambiamenti nell'inerzia.