Razzi e volo spaziale: lezione tenuta alla scuola di raggi cosmici dallo spazio, L'Aquila 2017

Il video qui sotto è la registrazione della lezione tenuta nel giugno 2017 alla Scuola internazionale di raggi cosmici al GSSI, L'Aquila. Tratta del volo spaziale, umano e non, delle orbite e dei razz ed è una versione molto accorciata del corso di Space Instruments che tengo all'Università di Roma Tor Vergata

Lecture given at the International School of Cosmic Rays from space, GSSI laboratories, L'Aquila, 15-6-2017

Guerra Fredda nello spazio 2.0: la crisi Ucraina colpisce anche la ISS?

Nel 1975, in piena guerra fredda, una navicella statunitense ed una sovietica si agganciarono per la prima volta  nello spazio. A parte  i segnali politici e di distensione tra le due superpotenze, l'idea del progezzo Apollo-Soyuz era di mettere a punto un sistema di attracco che permettesse di salvare astronauti in difficoltà in orbita terrestre.  Dovettero poi passare  20 anni prima del successivo attracco internazionale: STS-71 permise l'aggancio dello Space Shuttle alla gloriosa stazione spaziale Russa Mir.

L'Atlantis attraccato alla Mir (STS-71)

Il programma Shuttle-Mir mise a punto molte delle tecnologie per la stazione spaziale internazionale (ISS), costruita con parti provenienti dalla Russia, Stati Uniti, Europa e Giappone.

La collaborazione internazionale ha permesso sino ad ora di mantenere la ISS in orbita, l'unico avamposto umano nello spazio, anche se a 'soli' 350  km di altezza. Va comunque ricordato che la ISS è grande solo quattro volte lo Skylab, realizzato con il terzo stadio del Saturno V, e che due di questi razzi che mandarono l'uomo sulla Luna furono lasciati in un museo 'per risparmiare'.

Sino ad ora le attività spaziali erano rimaste intoccate  dalla crescente crisi Ucraina, ma è di questi giorni la notizia che il vice primo ministro russo Dmitry Rogozin, ( forumastronautico ha un ottimo commento al riguardo) ha espresso dubbi che la Russia voglia proseguire la collaborazione oltre il 2020. Questa era  la  data 'di scadenza' della ISS; i suoi sistemi possono funzionare però almeno sino al 2028 e di recente gli Usa hanno proposto di estendere le operazioni almeno sino al 2024.

Un motore russo NK-33

Con il pensionamento dello Shuttle   gli Stati Uniti devono pagare i russi circa 60M$ per ogni astronauta che raggiunge la ISS con le vecchie ma estremamente affidabili navicelle Soyuz. (Lo Space  Shuttle  era una  navicella bella a vedersi ma mal concepita sin dal principio, dato che non ha senso ed è molto rischioso  lanciare cargo ed equipaggio con lo stesso vettore).

Se è improbabile che la collaborazione nel programma con astronauti abbia termine  nei prossimi anni,  più realistica è la proibizione di impedire l'uso dei motori russi RD-180 per il lancio di satelliti militari statunitensi. Nel corso del programma lunare  sovietico furono sviluppati gli NK-33 motori estremamente efficienti a circolo chiuso, in cui i gas di scarico delle turbine del combustibile non sono espulsi separatamente, ma vengono iniettati nella camera di combustione, con aumento delle performance fino al 25% rispetto a motori convenzionali.

Un motore russo RD-180

Evoluzione del concetto degli NK-33 furono gli RD-170, usati nello Shuttle russo Buran ed il suo immenso vettore Energia (in una delle configurazioni previste avrebbe potuto mandare 100 tonnellate su Marte, ora arriviamo al massimo a 30 attorno alla Terra).  Gli RD-180 furono adattati dai russi ai vettori Atlas degli americani.

Nelle crescenti sanzioni economiche e di importazione (almeno sulla carta), la proibizione di usare motori per scopo militare non sembra fuori luogo. In previsione di eventi simili comunque gli Stati Uniti hanno uno stock di motori che garantisce almeno due anni di operazioni. Dopo si dovrà costruirel'RD-180 in Usa o - più probabilmente - ricorrere ai sempre meno costosi e più affidabili vettori sviluppati da Space-X ed altre industrie private. 

E' quindi auspicabile che la collaborazione nello spazio prosegua indipendentemente dalle vicende politiche terrestri: come lo Skylab e la corsa alla Luna hanno tristemente dimostrato, una volta persa una tecnologia o una capacità di lancio è poi molto difficile ed estremamente costoso recuperare le 'conoscenze degli antichi', anche se queste conoscenze risalgono a solo pochi decenni fa. 

ps  lasciate perdere Gravity, bello senz'anima (oltre a violare ogni leggi della fisica scoperta da Aristotele ad oggi): un film realistico sugli incidenti nello spazio è  Marooned - Abbandonati nello spazio  (1969, G. Peck, G. Hackman). 

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Labirinti librari, stazioni spaziali e insetti per aguzzare la vista

La coperina dei
"Labirinti dello spazio"

Nell'ampio panorama dell'offerta libraria giapponese vi sono varie serie che ci incitano ad "aguzzate la vista", per parafrasare la nostrana  Settimana Enigmistica. Controparte nipponica dei più famosi "Where's waldo", sono  rivolti ad un pubblico di ragazzi ma fruibili anche dagli adulti grazie alla curatissima veste grafica, quantità di oggetti da cercare e puzzle da risolvere. La serie dei Meiro (labirinti), scritta ed illustrata da Kagawa Kentaro, è una di quelle di maggior successo. In ciascuna delle splendide tavole a due pagine, l'autore riesce ad inserire due labirinti, nascondere vari oggetti, mimetizzare animali, muovendosi con suo agio tra le immensità dello spazio, i giardini di casa e le abitazioni mitologiche degli dei occidentali ed orientali. Purtroppo i quiz sono in giapponese, ma molti degli enigmi sono intuibili anche senza saper leggere gli ideogrammi. Se poi si tratta di un regalo per i bambini, dalla soluzione è possibile ricostruire molte altre domande. 

I labirinti delle stazioni spaziali: il primo è in alto, indicato dalle frecce.

Un secondo labirinto è formato dalle nuvole della terra. 

In primo piano la Stazione Spaziale Internazionale, 

al centro a sinistra la stazione russa Mir (anni '90). 

Ancora più a sinistra lo Skylab degli anni '70.

Uno dei plastici della serie Mikke.
Tra le varie cose che ci è richiesto
di trovare c'è un aereo, un piccolo orologio
e due pesci.

Un'altra serie di successo è quella della Mikke, traduzione del "Can you see what I see"   e disponibile anche in edizione inglese. In questo caso l'autore, Walter Wick realizza e fotografa plastici e costruzioni fiabeschedi ogni genere.In questo caso si tratta di scovare alcuni oggetti nel marasma di  pupazzetti, biglie, perle e miniature con cui l'autore popola i suoi diorami.  Per i più piccini c'è poi il Jumbo Esagashi (lett. "cerca le immagini"), più semplice ma comunque molto elaborato. Tutti i volumi, rilegati e con copertina,  sono in vendita a prezzi al di sotto dei 1500 yen, ossia circa 15 euro al cambio attuale. 

La copertina del Jumbo
esagashi

Una delle tavole del Jumbo Esagashi 

L'incidente al cargo Progress e le ripercussioni sulla Stazione Spaziale Internazionale.

Il 24 agosto scorso il cargo russo Progress-44 si è schiantato al suolo a causa di un malfunzionamento del razzo Soyuz-U,

La capsula Progress, lanciata dal cosmodromo spaziale di Baikonur,  è in grado di portare più di due tonnellate di rifornimenti sulla ISS: questo è il primo fallimento in più di trent'anni di glorioso servizio in cui questo muletto dello spazio ha portato rifornimenti a stazioni orbitanti dalla Salyut alla Mir sino alla attuale Stazione Spaziale Internazionale (ISS) .

Sembrerebbe che la causa dell'incidente sia da attribuirsi ad un problema ai motori del terzo stadio del razzo Soyuz-U. 

La Progress 20-P mentre viene issata sulla rampa di lancio (19-12-2005, foto mc)

Il problema è che   il razzo Soyuz è lo stesso utilizzato per portare astronauti nello spazio. Vi sono minime differenze nella famiglia dei lanciatori a seconda che il carico sia di persone, cargo o satelliti, ma la struttura di base è la stessa. Anche la capsula Soyuz (che porta lo stesso nome del vettore) è molto simile alla Progress in forma e dimensioni anche se accoglie tre astronauti nel suo interno. 

Con il ritiro dello Shuttle dopo l'ultimo volo di luglio, la Soyuz è l'unico mezzo in grado di avvicendare l'equipaggio a bordo della ISS. A parte le Shenzou cinesi al momento  non vi è altro modo di mandare l'uomo nello spazio. 

La Soyuz TMA-6 con a bordo l'astronauta italiano Roberto Vittori (Missione Eneide, 14 giugno 2005, foto mc). Notate la torre di espulsione d'emergenza in cima al razzo (assente nel caso della Progress). In caso di problemi al lanciatore, la torretta, un piccolo ma potente vettore si attiva e porta gli astronauti lontano dalla rampa di lancio.  Il suo uso si è reso necessario  una volta negli anni '80.   

La situazione è lungi dall'esser critica, gli astronauti hanno abbondanza di provviste e - nel peggiore dei casi - possono rientrare in qualunque momento con la Soyuz sempre attraccata alla stazione. 

Anche per il cargo vi sono varie ma costose alternative: l'ATV europeo e l'HTV giapponese (quest'ultimo è l'unico in grado di portare equipaggiamento al di fuori della ISS, gli altri operano solo nella zona pressurizzata). 

Per quanto si possa auspicare che questa crisi rientri in breve, è evidente come l'esplorazione umana nello spazio sia sempre più appesa ad un filo.

ps  mi dice Luca di Fino  che nella Progress c'era anche il nostro materiale per proseguire il nostro l'esperimento Altea. Vediamo come va a finire....

Il fenomeno dei lampi di luce nello spazio (parte 1)

Durante il viaggio verso la Luna, l’equipaggio dell’Apollo 11 osservò – mentre la capsula di trovava al buio - degli strani lampi luminosi di varia foggia, dimensione e colore. Senza rendersene conto avevano stabilito un altro importante primato del volo spaziale, oltre a quello di giungere, di lì a pochi giorni, per la prima volta sul suolo lunare: erano stati i primi uomini a “vedere” con i propri occhi, senza l’ausilio di alcuno strumento, i nuclei atomici che fanno parte dei raggi cosmici.
I  raggi cosmici sono composti per circa il 90% da protoni e per il 9% da nuclei di elio. Del restante 1% fanno parte i nuclei più pesanti come il carbonio, l’azoto e l’ossigeno. I raggi cosmici possono avere varie origini: a più bassa energia domina il vento solare, costituito da protoni ed elettroni con velocità di centinaia di chilometri al secondo. Ad energie più elevate le particelle hanno velocità sempre più prossime a quella della luce: provengono dalla nostra galassia, dopo essere state accelerate in esplosioni di supernovae; le particelle a più alta energia hanno origine  extragalattica ed i loro meccanismi di accelerazione sono tuttora oggetto di discussione. Vi sono poi i raggi cosmici intrappolati dal campo magnetico nelle fasce di radiazione (o di Van Allen): si tratta di protoni in prossimità della Terra (vengono incontrati anche dallo Shuttle e dalla Stazione Spaziale) ed elettroni ad una maggiore distanza (circa sei raggi terrestri, ossia dove si trovano i satelliti in orbita geostazionaria).
Lo studio della composizione delle specie più rare dei raggi cosmici (ad esempio la componente di antimateria)   può fornire informazioni molto precise sia sulla struttura della nostra galassia che dell’Universo: per fare questo sono necessari strumenti di complessità sempre crescente. Tra questi strumenti possiamo però annoverare anche l’occhio dell’uomo che, attraverso l’osservazione di questi “Lampi di Luce” (o Light Flashes), è in grado di  mettere in evidenza fenomeni di interazione tra il corpo umano e la radiazione cosmica cui è soggetto. Il fenomeno era già stato previsto nel lontano 1952 ¹ (cinque anni prima del lancio del primo Sputnik russo) da un pioniere della ricerca della biologia delle radiazioni a terra e nello spazio: Cornelius Tobias. La sua ipotesi iniziale, infatti, era che i nuclei della radiazione cosmica potessero interagire con l’apparato visivo umano causando percezioni visive anomale (o fosfeni) di vario genere.  Questi lampi di Luce sono altamente soggettivi: vi sono astronauti particolarmente sensibili, in grado di osservare il fenomeno anche in presenza di luce ed alcuni che non hanno mai visto un Lampo di Luce. Sono stati osservati vari tipi di lampi, probabilmente legati ai diversi tipi di interazioni possibili: una singola striscia, più tracce contemporaneamente, una stella molto luminosa e così via. Tuttavia, quando  si cerca di identificare i meccanismi fisici alla base dell’interazione tra i raggi cosmici e l’apparato visivo sorgono molti problemi, legati alla necessità di correlare le osservazioni provenienti da un rivelatore di particelle di tipo elettronico con le sensazioni provate dagli astronauti. L’importanza di questi studi è legata  - tra l’altro - alla possibilità che i Lampi di Luce rappresentino la classica punta di un iceberg rappresentato da effetti neurofisiologici ben più complessi e nascosti.
Gli studi sistematici sui Lampi  di Luce ebbero inizio già nelle successive missioni lunari² (Apollo 14-17, 1971-1972), proseguendo poi sullo Skylab (1974) e sull’Apollo-Soyuz (1975). A Terra furono affiancati anche da vari test su acceleratori di particelle ³ . Da questi esperimenti sono emersi come come più probabili tre tipi interazioni: ionizzazione diretta della retina o del nervo ottico; interazione nucleare di un protone che produce molte particelle secondarie, dando luogo ad uno stimolo complessivo; emissione di luce Cherenkov nel bulbo oculare degli astronauti. Dai dati ottenuti non fu tuttavia possibile escludere o confermare alcuna di queste tre ipotesi o mostrare il ruolo che hanno nello spazio.

Sileye-2 prima del lancio (1998): la scatola di alluminio (sulla sinistra) contiene il telescopio di silici, mentre la maschera (sulla destra) viene utilizzata per verificare l’adattamento al buio dell’astronauta.

 Gli studi sui Lampi di Luce sono poi ripresi  negli anni ’90 a bordo della stazione spaziale russa Mir con il programma Sileye. L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), in collaborazione con vari enti di ricerca (CNR) ed università italiane (Roma Tor Vergata, Firenze, Trieste) e straniere (KTH, Mephi), ha realizzato e posto sulla Mir due apparati che hanno effettuato misure di Lampi di Luce tra il 1995 ed il 2000. Altro obiettivo scientifico di questo esperimento – che si inserisce in un più ampio quadro di ricerca dell’INFN sui raggi cosmici nello spazio -  è la misura del  flusso di raggi cosmici e la dose assorbita dagli astronauti all’interno della stazione spaziale. Gli strumenti  utilizzati consistono  in un casco con annesso un rivelatore di particelle al silicio (da cui il nome da SILicon EYE, od Occhi di Silicio).  Il cosmonauta indossa il casco, si pone in condizioni di buio e preme un bottone ogniqualvolta osserva un Lampo di Luce; contemporaneamente si misura il tipo e l’energia di tutti i nuclei che attraversano il telescopio al silicio.

Il cosmonauta Sergei Avdeev con il rivelatore Sileye-2 poco prima di iniziare una sessione di osservazione di lampi di luce a bordo della Mir. Avdeev è stato a lungo il detentore del record di permanenza nello spazio su più missioni nello spazio. Il record fu battuto da Sergei Krikalev nel 2005.

Correlando queste informazioni,  ottenute  con la collaborazione di sei dei cosmonauti che hanno vissuto a bordo della Mir, è stato possibile mostrare⁴ per la prima volta la presenza nello spazio di almeno due cause distinte di Lampi di Luce. La prima è probabilmente dovuta alla ionizzazione diretta dei nuclei pesanti ed è infatti più frequente quando la stazione si trova alle alte latitudini, ove lo schermo del campo geomagnetico è minore ed il flusso di nuclei aumenta. La seconda componente è causata da interazioni nucleari di protoni nell’apparato visivo dell’astronauta. Secondo questo meccanismo un singolo protone ha una probabilità molto bassa di causare un Lampo di Luce: è solo quando la Mir attraversa la fascia interna di Van Allen, in cui il numero di protoni intrappolati può crescere sino a 10000 volte, che viene notato un aumento del numero di Lampi osservati.
Dopo il rientro della Mir nell’atmosfera, le ricerche sono proseguite nel 2002 a bordo della Stazione Spaziale Internazionale nell’ambito della missione ASI Marco Polo. Qui è stato realizzato un terzo apparato, Sileye-3/Alteino, con lo scopo di effettuare le prime osservazione sistematiche di Lampi di Luce sulla Stazione Spaziale. Le prime misure sono state effettuare durante il volo  cosmonauta italiano Roberto Vittori: l’analisi dati è tuttora in corso. L’apparato è stato a bordo della Stazione Spaziale per circa 8 anni, prima di tornare sulla terra a bordo della Soyuz. Nel 2006 è stato affiancato e  sostituito da un apparato più moderno, Altea.  Si tratta di uno strumento multidisciplinare per lo studio dei raggi cosmici, dei Lampi di Luce, e degli effetti dell’ambiente spaziale  sulle funzioni visive e cerebrali degli astronauti.

Lo Space Shuttle attraccato alla Stazione Spaziale Mir.

 

 

Orbita della Mir nel corso delle sessioni di osservazione dei Lampi di Luce. A ciascun triangolo corrisponde un lampo osservato. E’ possibile vedere l’incremento di Lampi di Luce ad alte latitudini e nella zona del sud atlantico, causato dalle due componenti di raggi cosmici galattici ed intrappolati rispettivamente.

Bibliografia

1. Tobias,  J. Aviat. Med., 23, 1952, 345.

2. Pinsky et al.,  Science, 183, 1974, 957.

3. Budinger T. F., et al., Nature, 239,  1972, 209.

4. Casolino et al., Nature, 422, 2003, 680.