Le Prospettive dello Spazio, 25/5/2019 INFN e Università di Roma Tor Vergata

Le Prospettive dello Spazio:

Dal fantastico di ieri, alla ricerca di oggi verso la tecnologia di domani

Aula Grassano

Dipartmento di Fisica, Università Roma Tor Vergata

25 maggio 2019

La giornata di studio – a carattere divulgativo ed aperta al pubblico – intende promuovere ed analizzare la crescente sovrapposizione e la sinergia tra il mondo della ricerca, della tecnologia e del fantastico.   

Con l’occasione sarà possibile visitare i laboratori del dipartimento dove sono stati realizzati degli esperimenti Altea-Lidal, Acoustic Diagnostics, MINI-EUSO, che saranno effettuati da Luca Parmitano nell’ambito della missione Beyond a bordo della Stazione Spaziale internazionale.

Ingresso libero.

Ai partecipanti saranno offerti pranzo e coffee break.

per motivi logistici (sala, catering per pranzo e coffee break) è gradita la prenotazione per email a prospettive.spazio@gmail.com

Programma preliminare

10:00 Saluti e presentazione

10:10 M. Criscono (ASI): L'esplorazione italiana dello spazio: stato attuale e prospettive future.

10:40 P. Picozza (Tor Vergata) Fisica Fondamentale nello Spazio 

11:10 G. Rizzo (Leonardo), L’immaginario e la prospettiva strategica della tecnologia aerospaziale 

11:40 Coffee break (sala adiacente Grassano)

12:00 C. Mattei (Digital Video), Le rappresentazioni dello spazio nel cinema di Animazione

12:30 M. De Santo (U. Salerno, Digitalia), Il ruolo della Golden Age della fantascienza nello sviluppo del XX secolo

13:00 L. Giovannelli (Tor Vergata), Che  tempo fa nello spazio?

13:00 Pranzo (sala adiacente Grassano)

14:00 Gli esperimenti di Tor Vergata nella missione Beyond di Luca Parmitano

14:00 A. Moleti (Tor Vergata)  Acoustic Diagnostic

14:30 L. Narici (Tor Vergata) Altea - Lidal

15:00 M. Casolino (INFN) – MINI -EUSO

15:30 Coffee break (sala adiacente Grassano)

15:50 Declinare lo Spazio: Tavola rotonda

M. De Santo, C. Mattei, L. Giovannelli, L. Narici,  A. Moleti,  P.G. Picozza, O. Serafini (Fantascientificast), F. Staglianò (Deep Space 1)                

 16:50-1730 (Laboratori camere pulite università – INFN) Visita agli apparati  in preparazione per la missione Beyond.

In Collaborazione con Deep Space One, Fantascientificast, Scientificast 

Buon Compleanno Pamela! Otto anni nello spazio, tra raggi cosmici, antimateria, ed eruzioni solari

Oggi   PAMELA compie otto anni.

Il lancio dello spettrometro magnetico è avvenuto  il 15 giugno 2006 dal cosmodromo di Bajkonur (Kazakistan), la  stessa rampa usata per il satellite  Sputnik e per il volo   di Yuri Gagarin.

PAMELA sulla rampa di lancio,  cosmodromo spaziale di Baikonur, Kazakistan 

Lo strumento, del peso complessivo di 470 kg ed alto circa 1.3 m,   è   alloggiato nel satellite russo Resurs DK1 ed è composto di una serie di  rivelatori rivolti alla determinazione del   tipo  ed energia  dei raggi cosmici, (elettroni, protoni, nuclei), con particolare riguardo alla  componente di antimateria,  ad energie e  con  precisioni   sino ad ora mai raggiunte con misure dirette.

Nel corso dei primi otto anni di vita PAMELA ha fornito dati rivoluzionari per la fisica dei raggi cosmici, la componente di antimateria nello spazio (persino intorno alla terra) e la ricerca indiretta di materia oscura. I risultati sono stati pubblicati su Nature, Science, Physical review letters....

L'unico rammarico è che a otto anni dal lancio tutti i dottorandi, post-doc e ricercatori a tempo determinato che hanno lavorato sulla costruzione e l'analisi dati dello strumento sono rimasti precari,  anche perché curiosamente ignorati nei rari concorsi di università ed enti di ricerca intercorsi da allora. 

Buon compleanno PAMELA, e grazie di tutto!

Sinistra: Il satellite russo  Resurs-DK1. E’ possibile vedere i pannelli solari in basso ed il lungo cilindro contenente gli apparati ottici per le osservazioni terrestri. PAMELA è posta nel contenitore pressurizzato nella sinistra della figura. La Terra è idealmente posta nell’alto della figura. Centro: Foto del Resurs-DK1 nelle fasi finali di integrazione a Baikonur (2006). Il contenitore pressurizzato è visibile nella sinistra della Figura. Destra: L’apparato PAMELA nelle fasi finali di integrazione nelle camere pulite di Roma Tor Vergata (2005). E’ possibile distinguere le tre strutture di scintillatori del tempo di volo (S1, S2, S3), utilizzati per la determinazione della velocità e carica delle particelle. Le anticoincidenze (AC) poste intorno all’apparato consentono di eliminare eventi non validi provenienti dai lati;  lo spettrometro magnetico (TRK) è collocato tra i due scintillatori S2 ed S3, mentre il calorimetro silicio tungsteno (CALO), lo scintillatore di coda (S4) ed il rivelatore di neutroni (ND) vengono utilizzati per determinare la natura (leptone o adrone) dell’evento, e la  sua energia (nel caso di elettroni/positroni).

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). 

Add caption

Riken Open Campus, 20 aprile 2013

Logo della manifestazione

Anche quest'anno il prossimo sabato 20 aprile 2013 si terrà - dalle 9.00 alle 16:00  l'open day del RIKEN (qui il link in Giapponese).  Questa manifestazione, che coinvolge tutti  i laboratori dell'istituto, mira a far toccare con mano  le ricerche che vengono svolte nel campo della  fisica, biologia, medicina, chimica....  Sono previste sia conferenze divulgative che esperimenti da svolgere con i partecipanti.

Come l'anno scorso, anche il nostro laboratorio sarà coinvolto con una serie di conferenze divulgative sullo spazio (in giapponese ed inglese), con video in 3D, l'uso di lenti di Fresnel ed il modello del'esperimento JEM-EUSO, per lo studio di raggi cosmici dalla stazione spaziale internazionale. 

Il modello del telescopio spaziale JEM-EUSO 

Poster sulla radiazione ambientael

Verrà  anche misurata la radiazione ambientale e confrontata con quella di oggetti di uso  comune.

Il RIKEN si trova a Wako, prefettura di Saitama, ad una quindicina di minuti da Ikebukuro.

Chi non può partecipare il 20, è ovviamente sempre benvenuto!

I veri confini del sistema solare, Frank McDonald e le Voyager

E' di questi giorni la pubblicazione di un articolo su Journal of Geophysical Research dell'uscita dal sistema solare della sonda Voyager 1.  La transizione è  avvenuta il 25 agosto 2012 ad una distanza di circa 120 unità astronomiche.  L'evento, per quanto importante e di estremo interesse, non è unico. Infatti:

Non è la prima volta che questo avviene:  le due sonde Voyager hanno misurato effetti simili più volte, via via che si avvicinavano allo shock di terminazione del vento solare. Si tratta della regione, variabile per dimensioni e forma, in cui le particelle di vento solare (emesse dal sole ad una velocità di svariate centinaia di km/s), rallentano sino a formare un'onda d'urto di particelle cariche. Questa barriera accelera i cosiddetti raggi cosmici anomali (ad esempio nuclei di Ossigeno - A in figura) per cui il loro numero aumenta all'interno dell'eliosfera (ossia a sinistra nella figura). La barriera deflette anche i raggi cosmici galattici, per  cui il numero di particell cresce con il passare del tempo. 

I tre confini del sistema solare

Non esiste un confine del sistema solare ma (almeno) tre. Oltre allo shock di terminazione vi sono almeno altre due regioni che distinguono il sistema solare dal mezzo galattico: la magnetopausa, in cui il campo magnetico solare decresce sino ad avere lo stesso valore di quello della galassia; lo shock supersonico, analogo a quello che si forma davanti ai caccia supersonici e dovuto al movimento del Sole nella galassia. Vi sono poi regioni gravitazionalmente legate al sole come la fascia di Kuiper e la nube di Oort, per cui è difficile stabilire cosa si intenda per confine del sistema solare. 

L'evento è comunque importantissimo: queste due sonde, frutto di  un periodo pioneristico e più favorevole alle missioni spaziali ed alla scienza in generale, hanno  fornito dati importantissimi sui pianeti, le lune e tutto il nostro sistema solare. Con una manciata di bit al minuto riescono ancora  trasmettere dati su una regione che probabilmente non sarà esplorata per almeno un secolo.

Una nota personale. Ho avuto l'onore di conoscere uno dei due autori dell'articolo, Frank McDonald, che ha progettato alcuni rivelatori delle Voyager, seguendole  dal loro lancio  e per tutto il  viaggio nel sistema solare. All'età di quasi novanta anni era ancora estremamente brillante ed attivo scientificamente ed avevamo collaborato per confrontare i dati di Pamela ad una unità astronomica (1AU intorno alla Terra) e quelli delle Voyager a 120 AU. E' deceduto lo scorso agosto, pochi giorni prima che la "sua" sonda fornisse questi altri importantissimi dati. E' venuto a mancare mentre stava tenendo  un seminario: per quanto la sua morte abbia rattristato tutti, è difficile pensare ad un modo migliore per continuare ad esplorare in spirito  l'universo.

Perchè non lanciamo i razzi in verticale? La differenza tra lo stare in orbita e nello spazio.

Il lancio dello Shuttle (STS-128). Nella splendida foto NASA
è possibile vedere come il razzo non punti verso l'alto
ma quasi orizzontalmente, per acquistare la velocità
necessaria per restare in orbita.

Osservando il lancio di un razzo si può notare che, dopo aver percorso poche centinaia di metri, la sua traiettoria si piega  inclinandosi dalla verticale. 

Questo perché la spinta del razzo non è necessaria solo per far innalzare il razzo di qualche centinaio di chilometri (400 circa per l'orbita della Stazione Spaziale Internazionale), ma soprattutto a fargli acquisire velocità orizzontale. 

Per mantenere in orbita un satellite è infatti necessario che questo abbia una velocità tale che la forza centrifuga (diretta verso l'alto) gli faccia vincere l'attrazione di gravità (diretta verso il basso): in orbita bassa, come ad esempio per la Stazione Spaziale è necessaria 8 volte più energia per acquisire la velocità di 7.7 km/s rispetto a quella per raggiungere i 380-400 km di altezza della stazione. 

Il rapporto tra l'energia spesa per vincere la forza di gravità Q  rispetto a quella  necessaria per fargli acquisire velocità K è pari  alla metà del  rapporto tra il  raggio terrestre e l'altezza del razzo (trascurando la velocità iniziale dovuta alla rotazione terrestre. In formule  K/Q = 1/2   R_terra / H_razzo).

Il profilo di lancio  e rientro
della Spaceship one

E' questa la fondamentale differenza tra i razzi spaziali come lo Shuttle e la Soyuz e la SpaceShip one: questa è più simile ad un sasso lanciato verso l'alto e che torna a terra dondolando come una foglia. In questa maniera è possibile con motori molto piccoli (e partendo da un aereo) superare i 100 km di altezza ma solo per poche centinaia di secondi. 

Fu per primo Newton  a rendersi conto che sparando orizzontalmente con un cannone abbastanza potente era possibile imprimere al proiettile una velocità sufficientemente alta da metterlo in orbita. Questo doveva essere ciò che era accaduto alla Luna, che orbita "in caduta libera" attorno alla terra.

La palla di cannone e le orbite
di Newton (Principia, vol 3 p4)

Andando più in alto la velocità orbitale diminuisce e la ripartizione  tra energia cinetica e potenziale va a vantaggio di quest'ultima: in orbita geostazionaria, dove la velocità è 3km/s essa è pari a meno del 10%.

Da lì basta pochissima energia in più (il 15%)  per raggiungere la luna e gli altri pianeti): in orbita geostazionaria siamo quasi usciti dal pozzo gravitazionale della terra. La stazione spaziale è molto più in 'fondo al pozzo':  anche tenendo conto dell'energia cinetica essa ha appena la metà dell'energia necessaria per sfuggire all'attrazione terrestre.  

Uno dei voli di test della
Spaceship one.
Si tratta di un volo parabolico
che raggiunge lo spazio ma non
la messa in orbita. 

Note: 

1. E' per questo che gli astronauti a bordo della stazione spaziale sono soggetti alla gravità terrestre ma in condizioni di assenza apparente dato che l'attrazione terrestre è cancellata dalla forza centrifuga. Dato che la stazione spaziale ha piccole oscillazioni, risente dell'attrito, con il residuo dell'atmosfera ed altre micro-forze, si parla di condizioni di microgravità (perché le oscillazioni sono circa un milionesimo della gravità terrestre).

2. Qui uno splendido grafico di xkcd sui pozzi gravitazionali dei pianeti e del sistema solare

3. In caso di orbita circolare il risultato si ottiene  uguagliando la forza centrifuga:
 mv²/(R_terra+H_razzo) 
con quella gravitazionale 

GM m / (R_terra+H_razzo)² 
dove G è la costante di gravitazione universale, R_terra è il raggio terrestre M è la massa della terra e H_razzo è l'altezza del satellite di massa m dal suolo. 
L'energia cinetica necessaria è K=1/2 m v², quella gravitazionale Q= GMm[ 1 / (R_terra+H_razzo) - 1/R_terra].
Da lì si ottiene il rapporto K/Q = 1/2 R_terra/H_razzo

L'orizzonte della terra da pallone e dallo spazio.

Volo Stratospera 5 (2012)

In un post precedente avevamo cercato di calcolare le distanze che vediamo dal finestrino dell'aereo (11 km). 

Per calcolare la distanza dell'orizzonte da altre altezze possiamo usare le foto del recente volo del pallone degli amici di Stratospera, che   ha prodotto nuove  e splendide  immagini da un'altezza di 15 km (e non solo: il loro sito è una miniera d'oro di dati, informazioni e soprattutto di "esplorazione & ricerca"). A queste di aggiungono le foto del lancio precedente (il quarto) da 30 km e quelle di  Felix_Baumgartner da 39 km. 

La tecnica è sempre la stessa e relativamente semplice: calcolando la distanza nota dell'orizzonte a partire dall'altezza [La distanza dell'orizzonte D dipende dall'altezza H  cui ci troviamo secondo la formula H=radice(2*H*R)] possiamo stimare le dimensioni dei vari oggetti. E' una tecnica molto approssimata, dato che non conosciamo il campo di vista della macchina fotografica, o meglio la posizione del nadir, il punto sotto di noi. 

 I punti scelti per stimare l'altezza sono all'incirca dove svanisce il blu dell'atmosfera ed inizia l'oscurità dello spazio. Anche questo punto dipende molto dalle regolazioni e della sensibilità della macchina fotografica. In ogni caso le tre immagini forniscono un'altezza concorde di circa 40 km, ossia più o meno l'altezza massima che possono raggiungere i palloni. 

Felix Baumgartner

E' possibile utilizzare anche le foto prese dalla stazione spaziale internazionale. In questo caso abbiamo altri punti di riferimento: quelli dell'aurora.  Anche qui ritroviamo (fortunatamente) l'altezza dell'atmosfera a 40 e quelli dell'aurora tra 100 e 200, in accordo con i valori cui si manifesta questo splendido fenomeno. 

L'aurora dalla ISS (da questo video)

Volo Stratospera 4

Niente viaggi interstellari, almeno per il momento

Il sogno di futuri viaggi interstellari si deve scontrare con l’impossibilità teorica – formalizzata dalla teoria della relatività – di poter viaggiare più veloci della luce.

Un rapporto interno della NASA del 2011 sembrerebbe descrivere la possibilità di aggirare questo ostacolo realizzando un “warp field” (secondo le parole degli autori), una distorsione spazio-temporale simile a quella su cui si basano i motori delle astronavi del mondo fantascientifico di Star Trek.

Per quanto gli autori appartengano ad un laboratorio di propulsione avanzato della NASA – con ll’obiettivo di sviluppare nuovi concetti e nuove metodologie per propulsione non convenzionale di razzi e capsule spaziali – i lavori di questo gruppo sembrano sconfinare troppo nella fantascienza.

Nello specifico, l’articolo e lavori simili (nessuno è pubblicato su riviste con referee, salvo uno teorico sulla relatività) trattano semplicemente della messa a punto di un preciso pendolo di torsione(1), ossia uno strumento in grado di misurare con precisione l’intensità delle forze cui essi è soggetto . Quello descritto è in fase di costruzione e sarà completato in un prossimo futuro.

Sempre nello stesso rapporto interno vengono introdotti due metodi di propulsione agli antipodi: uno basato sull’effetto Casimir e l’altro sul famigerato “campo di warp”.

(continua a leggere su scientificast.it)

Recensione di "Deserto Rosso - Punto di non ritorno"

"Deserto Rosso -  Punto di non ritorno", di Rita Monticelli, narra le vicende  di Anna, astronauta partecipante alla seconda spedizione su Marte. Dopo una prima missione - decenni prima - dall'esito disastroso, il secondo tentativo - di cui fa parte la protagonista - prevede di stabilire una base permanente sul pianeta rosso senza che i primi coloni possano tornare sulla Terra. In  questo viaggio senza ritorno si aggiunge quello personale di Anna, che - all'inizio del racconto -  lascia la base verso l'ignoto, in un'odissea che però può durare solo le poche ore di ossigeno presenti nella tuta. 

La prima parte di Deserto rosso si conclude con un cliffhanger  degno delle migliori serie televisive e ci lascia in attesa delle parti successive. Il racconto è ben scritto e narrato con vivido realismo. Uno dei punti di maggior forza è la dettagliata conoscenza  da parte dell'autrice delle  tecniche e tecnologie di esplorazione umana su Marte. Senza perdersi nei tecnicismi queste aiutano a render credibile la storia, i personaggi ed i loro demoni personali.  

Deserto rosso è disponibile su Amazon ad appena 89 centesimi: questa scelta, unita alla distribuzione indipendente del racconto sul sito di distribuzione di  smashwords  e tutte le altre piattaforme digitali, ne ha fatto un piccolo successo "indie" dell'estate italiana appena trascorsa. Va aggiunto che si tratta di un prodotto estremamente ben curato, scevro dei piccoli ma fastidiosi errori che si riscontrano spesso nelle auto-produzioni. Decisamente consigliato agli appassionati di thriller, fantascienza, e  di esplorazione spaziale. 

Il sito dell'autrice è qui, una sua intervista è disponibile su fantascientificast. 

Sei anni di PAMELA nello spazio

Oggi PAMELA festeggia sei anni di vita:  il 15 giugno 2006 è infatti stata lanciata dal cosmodromo di Baikonur (Kazakistan), dalla  stessa rampa usata per il satellite  Sputnik e per il volo   di Yuri Gagarin.

PAMELA è uno spettrometro magnetico rivolto allo studio di raggi cosmici ed alla ricerca di antimateria nello spazio. 

PAMELA sulla rampa di lancio,  14/6/2012

Lo strumento, del peso complessivo di 470 kg ed alto circa 1.3 m,   è   composto da una serie di  rivelatori rivolti allo studio di elettroni, positroni, protoni nei raggi cosmici in un ampio intervallo energetico, misurando  la componente di antimateria  ad un'energia e  con una precisione   sino ad ora mai raggiunte.   In sei anni le misure di PAMELA hanno rivoluzionato le conoscenze sui raggi cosmici nella nostra galassia, scoprendo una nuova componente di positroni, di protoni ed elio ed una fascia di antimateria intorno al nostro pianeta. 

La Soyuz pochi secondi prima del lancio (giugno 2006)

Lancio (foto F. Cafagna)

Alcuni   raggi cosmici osservati con PAMELA. Sinistra:  Elettrone di 0.171 GV. La particella entra dall’alto della figura colpendo due barre dello scintillatore posto in cima (S1) e sopra il magnete (S2). La sua traiettoria -  curvata dalla presenza del campo magnetico -  è rivelata delle microstrip al silicio del tracker. La particella interagisce successivamente con lo scintillatore di fondo (S3) prima di essere assorbita dal calorimetro tracciante al silicio tungsteno. Centro:  Positrone di 0.169 GV. Le interazioni con l’apparato sono simili a quelle dell’evento precedente ma la curvatura è nel verso opposto. Destra: un protone di 36 GV. La sua alta energia fa sì che la curvatura nel magnete sia molto ridotta. E’ visibile lo sciame adronico prodotto dall’interazione con il calorimetro, la carica rilasciata nello scintillatore di coda (S4) ed i neutroni prodotti nello sciame e rivelati nel rivelatore di neutroni.




Qui abbiamo festeggiato i 2000 giorni e qui i cinque anni. Con la nuova candelina rinnoviamo tanti auguri di lunga vita: i prossimi anni saranno fondamentali per lo studio dell'attuale ciclo solare....

L'orizzonte, lo spazio, e la terra dal finestrino dell'aereo

Le distanze dall'aereo: foto scattata al sorgere del sole, sopra
la Mongolia, guardando verso est in un volo Roma-Tokyo
a marzo. L'aereo era diretto verso sud-est.   

Nei voli internazionali gli aerei commerciali volano ad una quota di 33000 piedi, che nel Sistema Internazionale corrispondono 10058 metri. 

Da questa quota è possible godere di un ampio panorama: l'orizzonte si trova infatti a 358 km di distanza. Questo ci permette di stimre le distanze e le dimensioni dei fenomeni che osserviamo dall'aereo. La foto è stata scattata  in un volo Roma-Tokyo, al momento del sorgere del sole, con una  Canon SX30is con lunghezza focale di 24 mm equivalenti. L'orizzonte si estende orizzontalmente per circa 380 km, con le nuvole ed il grosso del pulviscolo (la parte rossa) che si innalzano sino ad 11 km di altezza.  Il sole era già sorto sulla destra (est sud-est) dell'immagine, ma sulla sinistra (nord-ovest) era ancora notte.  La forma della struttura triangolare luminosa è dovuta (probabilmente) alla diffusione della luce da parte dell'atmosfera: ad est il sole è più alto e la quantità di luce  dispersa nell'atmosfera è maggiore. Ad ovest invece i raggi sono appena radenti per via della curvatura terrestre. In ogni caso è possibile osservare l'ideale linea di confine che separa la terra dallo spazio: la banda luminosa sulla destra si erge infatti per circa 100 km, 20 in più di quanto necessario volare per "diventare astronauti". La stazione spaziale internazionale si trova  a circa quattro volte questa altezza.

La foto originale. 

Nota 1

La distanza dell'orizzonte D dipende dall'altezza H  cui ci troviamo secondo la formula H=radice(2*H*R)

dove R=6380km è il raggio terrestre. Al mare ad un'altezza di  un metro vediamo sino a 3.5km, sulla torre Eiffel possiamo idealmente raggiungere i 65km di distanza ed i 200km da una montagna alta 3000 m. Dalla Stazione Spaziale il campo di vista supera i 2000km, ma non permette di osservare il disco completo della terra: per quello bisogna superare i 1000 km di altezza. 

Nota 2

Ciascuna macchina fotografica ha un campo di vista che dipende dalla lunghezza focale (lo zoom) dell'apparecchio: focale piccola = grandangolo, focale grande = teleobiettivo. Poiché le digitali compatte hanno sensori più piccoli delle vecchie 35 mm  a pellicola, la lunghezza focale è spesso espressa in 35 mm equivalenti: una lente da 50mm ha un campo di vista di circa 40 * 27 gradi. 

La foto aveva una lunghezza focale di 24mm (questi valori sono contenuti nei dati Exif leggibili con vari programmi) ed un campo di vista di 65*48 gradi (una calibrazione precisa del campo di vista della macchina fotografica si può effettuare con la luna, ma ne parleremo una prossima volta). Dal numero di pixel della macchina otteniamo circa 66 pixel per ciascun grado di campo di vista. Con Photoshop o qualunque altro programma è poi semplice misurare le varie altezze. 

Dalle palline del pachinko alle astronavi: 2. il cannone di Gauss, i treni magnetici ed i lanci orbitali.

Treno giapponese a levitazione
magnetica MLX-01. (prototipo non
utilizzato nel trasporto passeggeri.

Abbiamo visto nel post precedente  come una pallina che colpisce una fila di biglie identiche  trasferisce tutta la sua energia a quella dal lato opposto, che si allontana  con una velocità identica a quella del proiettile iniziale.
Se agganciamo un magnete alle biglie del pachinko la situazione muta drammaticamente: la calamita attira il proiettile in metallo accelerandolo negli ultimi istanti prima dell’impatto. In questo modo colpisce con forza  la fila di palline, lanciando la biglia nel verso opposto ad una velocità più di dieci volte superiore di quella iniziale (qui il video). 

Cannone di Gauss e palline del
pachinko: 1. La pallina di destra
viene lanciata verso le altre . Il
magnete è indicato dalla freccia
blu. 2. il magnete attira la pallina e
la accelera. 3. la pallina di destra
schizza via. 

 Utilizzando una semplice macchina fotografica è possibile stimare la velocità di questo “proiettile magnetico”: la velocità balza da 3 cm/s a 50 cm/s (i conti sono mostrati qui). Anche in questo caso l’energia del sistema si conserva: la pallina del pachinko è infatti accelerata grazie all'energia immagazzinata nel campo magnetico, che è più bassa dopo l'urto. Il neodimio (⁶⁰Nd) fa parte delle terre rare e in un composto con il ferro ed il boro è in grado di generare campi magnetici molto più intensi delle classiche calamite ferrose. 

Con l’aggiunta della calamita alle palline del pachinko abbiamo creato un semplice cannone di Gauss, un sistema che sfrutta i campi magnetici per accelerare un oggetto. Utilizzando gli elettromagneti è possibile creare cannoni di Gauss più potenti e versatili. Infatti utilizzando la corrente che scorre nei fili piuttosto che quella dei nuclei atomici  presenta due vantaggi: una zona cava in cui far passare  il carico da accelerare e la possibilità di governare l'accensione e lo spegnimento  dei vari moduli, realizzando un  sistema  a più stadi. 

Un grande cannone di Gauss potrebbe esser utilizzato per  per lanciare navicelle nello spazio con estrema efficienza e  costi estremamente ridotti. Purtroppo le accelerazioni in gioco sono troppo elevate per gli astronauti e rendono questo sistema più adatto ad lancio di cargo e materiale, o per l'uso come arma, dove si sta concentrando la maggior parte della ricerca e degli investimenti.

Configurazione dei magneti
per guidare il treno (alto)
e per tenerlo sollevato (basso).

I campi magnetici sono utilizzati con successo nei treni a levitazione magnetica. E' possibile creare una configurazione variabile di elettromagneti su cui il treno galleggia e scivola allo stesso tempo: senza ruote e binari l'attrito è molto ridotto ed è possibile raggiungere e superare velocità di 500km/h. Rimane l'aria a rallentare il treno: in un tunnel ideale in cui sia stato fatto il vuoto sarebbe possibile attraversare l'oceano atlantico in poche decine di minuti. Linee a levitazione magnetica sono state realizzate in vari paesi del mondo, con il primo servizio per passeggeri in funzione dall'aeroporto alla città di Shanghai. Altri dovrebbero entrare in funzione in Cina, Corea e Giappone nei prossimi anni. 

Schema del Lofstrom loop: un lungo
 cavo tenuto in piedi dalla
forza centrifuga generata dall'alta
velocità in cui scorre. Il cavo socrre
da ovest verso est, e compia
un ciclo completo tornando indietro
da est verso oves. 

Una ferrovia magnetica potrebbe essere utilizzata per lanciare carichi e persone nello spazio: il Lofstrom loop, dal nome del suo ideatore,  è una specie di lunga funivia senza piloni, tenuta in piedi dalla spinta centrifuga di un cavo che viene fatto circolare ad alta velocità all'interno di una guaina da cui è separato con campi magnetici. Le carrozze o cabine scorrerebbero - sempre sostenuti da campi magnetici - su questo cavo-binario lungo più di 2000km sino ad una altezza di più di 80km. Da lì si sganciano ed entrano in orbita  con dei propri piccoli propulsori. A differenza dell'ascensore orbitale, una struttura statica che  richiede lo sviluppo di materiali in grado di resistere a trazioni enormi, il Lofstrom loop è realizzabile con la tecnologia a nostra disposizione e consenitrebbe di ridurre enormemente i costi di lancio nello spazio.

Putroppo, in assenza di spinte economiche che consentano la realizzazione di queste strutture, per raggiungere il cosmo siamo costretti a ricorrere ai razzi convenzionali. Confrontando le immagini 1 e 4 della figura in alto è possibile vedere che l'urto non ha solo lanciato la pallina verso sinistra, ma anche spostato le altre verso destra. Ciò è dovuto al principio di azione e reazione  (che verrà trattato nel prossimo post) alla base di tutti i sistemi di lancio spaziale e di tutti - o quasi - i mezzi di trasporto sulla Terra.



(2, continua) Questo post in tre parti partecipa all'edizione di Febbraio 2012 de  'Il Carnevale della Fisica'  
Qui la prima parte
Qui la terza parte