Nessuna antenna potrebbe sopravvivere all’ambiente brutale e radioattivo di Europa, sino ad ora

Non è prevista una missione per inviare un lander su Europa, ma la resa di questo artista dà un’idea di come potrebbe essere uno di questi lander, incluso il nuovo design dell’antenna necessario per rimanere in contatto con la Terra.

Europa, una delle lune galileiane di Giove, ha il doppio di acqua liquida degli oceani della Terra, se non di più. Un oceano stimato da 40 a 100 miglia (da 60 a 150 chilometri) di profondità copre l’intera luna, bloccato sotto una superficie ghiacciata spessa più di una dozzina di chilometri. L’unica prova diretta di questo oceano sono i pennacchi d’acqua che occasionalmente eruttano attraverso le crepe nel ghiaccio, schizzando fino a 200 km sopra la superficie:

L’infinito, senza sole e turbolento oceano di Europa potrebbe sembrare sorprendentemente tetro. Eppure è uno dei candidati più promettenti per trovare la vita extraterrestre. Progettare un lander robotico in grado di sopravvivere a condizioni così difficili richiederà di ripensare in una certa misura tutti i suoi sistemi, incluso probabilmente il più importante: le comunicazioni. Dopotutto, anche se il resto del lander funziona perfettamente, se la radio o l’antenna si rompe, il lander è perso per sempre. Alla fine, quando il Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA, dove sono un ingegnere di antenne senior, iniziammo a considerare seriamente una missione Europa lander, ci rendemmo conto che l’antenna era il fattore limitante. L’antenna deve mantenere un collegamento diretto alla Terra per più di 550 milioni di miglia (900 milioni di km) quando la Terra e Giove sono nel punto di massima separazione. L’antenna deve essere sufficientemente resistente alle radiazioni per sopravvivere a un assalto di particelle ionizzanti da Giove, e non può essere così pesante o così grande da mettere in pericolo il lander durante il decollo e l’atterraggio. Un collega, quando abbiamo presentato la sfida davanti a noi, l’ha definita impossibile. Abbiamo comunque costruito un’antenna del genere e, sebbene sia stata progettata per Europa, è un progetto abbastanza rivoluzionario che lo stiamo già implementando con successo in future missioni per altre destinazioni nel sistema solare.

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Attualmente, l’unica missione pianificata su Europa è l’ orbiter Clipper , una missione della NASA che studierà la chimica e la geologia della luna e sarà probabilmente lanciata nel 2024 . Clipper condurrà anche una ricognizione per una potenziale missione successiva per mettere un lander su Europa. In questo momento, qualsiasi lander di questo tipo è concettuale. La NASA ha ancora finanziato un concetto di lander Europa, tuttavia, perché ci sono nuove tecnologie cruciali che dobbiamo sviluppare per qualsiasi missione di successo sul mondo ghiacciato. Europa è diversa da qualsiasi altra cosa in cui abbiamo tentato di atterrare prima.

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Per il contesto, finora l’unico lander per esplorare il sistema solare esterno è l’ Agenzia spaziale europea ‘s Huygens lander . È sceso con successo sulla luna di Saturno Titano nel 2005 dopo essere stato trasportato dall’orbita Cassini. Gran parte del nostro quadro di riferimento per la progettazione di lander, e delle loro antenne, proviene dai lander su Marte.

Tradizionalmente, i lander (e i rover) progettati per le missioni su Marte si affidano a relè orbitanti con velocità di trasmissione dati elevate per riportare i dati scientifici sulla Terra in modo tempestivo. Questi orbiter, come il Mars Reconnaissance Orbiter e il Mars Odyssey , hanno grandi antenne paraboliche che utilizzano grandi quantità di energia, dell’ordine di 100 watt, per comunicare con la Terra. Sebbene i rover Perseverance e Curiosity abbiano anche antenne dirette verso la Terra, sono piccoli, consumano meno energia (circa 25 W) e non sono molto efficienti. Queste antenne sono principalmente utilizzate per trasmettere lo stato del rover e altri aggiornamenti a basso contenuto di dati. Queste antenne dirette verso la Terra esistenti semplicemente non sono all’altezza del compito di comunicare da Europa.

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Inoltre, Europa, a differenza di Marte, non ha praticamente atmosfera, quindi i lander non possono usare i paracadute o la resistenza dell’aria per rallentare. Invece, il lander dipenderà interamente dai razzi per frenare e atterrare in sicurezza. Questa necessità limita quanto può essere grande: troppo pesante e richiederà troppo carburante sia per il lancio che per l’atterraggio. Un lander di dimensioni modeste da 400 chilogrammi, ad esempio, richiede un razzo e un carburante che insieme pesano tra le 10 e le 15 tonnellate. Il lander deve quindi sopravvivere a sei o sette anni di viaggio nello spazio profondo prima di atterrare finalmente e operare all’interno dell’intensa radiazione prodotta dal potente campo magnetico di Giove.

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Inoltre, non possiamo presumere che un lander Europa abbia un orbiter sopra la testa per trasmettere i segnali, perché l’aggiunta di un orbiter potrebbe facilmente rendere la missione troppo costosa. Anche se Clipper è miracolosamente ancora funzionante quando arriva un lander, non supponiamo che sarà così, poiché il lander arriverà molto dopo la data ufficiale di fine missione di Clipper.

Ho detto in precedenza che l’antenna dovrà trasmettere segnali fino a 900 milioni di km. Come regola generale, le antenne meno efficienti necessitano di una superficie maggiore per trasmettere più lontano. Ma poiché il lander non avrà un orbiter sopra la testa con una grande antenna a relè e non sarà abbastanza grande da solo per un’antenna grande, ha bisogno di una piccola antenna con un’efficienza di trasmissione dell’80% o superiore, molto più efficiente di la maggior parte delle antenne spaziali.

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Quindi, per ribadire la sfida: l’antenna non può essere grande, perché allora il lander sarà troppo pesante. Non può essere inefficiente per lo stesso motivo, perché richiedere più potenza richiederebbe invece sistemi di alimentazione ingombranti. E deve sopravvivere all’esposizione a una quantità brutale di radiazioni da Giove. Quest’ultimo punto richiede che l’antenna debba essere per lo più, se non interamente, di metallo, perché i metalli sono più resistenti alle radiazioni ionizzanti.

L’antenna che alla fine abbiamo sviluppato dipende da un’innovazione chiave: l’antenna è composta da celle unitarie polarizzate circolarmente, solo in alluminio – più su questo in un momento – che possono inviare e ricevere su frequenze in banda X (in particolare, da 7.145 a 7.19 gigahertz per l’uplink e da 8,4 a 8,45 GHz per il downlink). L’intera antenna è un array di queste celle unitarie, 32 su un lato o 1.024 in totale. L’antenna misura 32,5 x 32,5 pollici (82,5 x 82,5 centimetri), il che le consente di adattarsi a un lander di dimensioni modeste e può raggiungere una velocità di downlink verso la Terra di 33 kilobit al secondo con un’efficienza dell’80%.

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Diamo un’occhiata più da vicino alle celle unitarie che ho menzionato, per capire meglio come questa antenna fa quello che fa. La polarizzazione circolare è comunemente usata per le comunicazioni spaziali. Potresti avere più familiarità con la polarizzazione lineare, che viene spesso utilizzata per i segnali wireless terrestri; puoi immaginare un tale segnale che si propaga su una distanza come un’onda sinusoidale 2D orientata, diciamo, verticalmente o orizzontalmente rispetto al suolo. La polarizzazione circolare invece si propaga come un’elica 3D. Questo modello di elica rende la polarizzazione circolare utile per le comunicazioni nello spazio profondo perché la “sezione trasversale” più ampia dell’elica non richiede che il trasmettitore e il ricevitore siano allineati con la stessa precisione. Come puoi immaginare, un allineamento super preciso su quasi 750 milioni di km è quasi impossibile. La polarizzazione circolare ha l’ulteriore vantaggio di essere meno sensibile al clima terrestre quando arriva. La pioggia, ad esempio, fa sì che i segnali polarizzati linearmente si attenuino più rapidamente di quelli polarizzati circolarmente.

Ogni cella elementare, come detto, è interamente realizzata in alluminio. I primi array di antenne che utilizzano in modo simile celle di componenti più piccole includono materiali dielettrici come la ceramica o il vetro per fungere da isolanti. Sfortunatamente, i materiali dielettrici sono anche vulnerabili alle radiazioni ionizzanti di Giove. La radiazione accumula una carica sui materiali nel tempo, e proprio perché sono isolanti non c’è nessun posto dove andare per quella carica, fino a quando non viene infine rilasciata in una scarica elettrostatica dannosa per l’hardware. Quindi non possiamo usarli.

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Come accennato in precedenza, i metalli sono più resistenti alle radiazioni ionizzanti. Il problema è che non sono isolanti, quindi un’antenna costruita interamente in metallo è ancora a rischio che una scarica elettrostatica danneggi i suoi componenti. Abbiamo aggirato questo problema progettando ogni cella unitaria per essere alimentata in un unico punto. Il “feed” è la connessione tra un’antenna e il trasmettitore e il ricevitore della radio. In genere, le antenne a polarizzazione circolare richiedono due feed perpendicolari per controllare la generazione del segnale. Ma con un po’ di attenta progettazione e l’uso di un tipo di ottimizzazione automatizzata chiamato algoritmo genetico , abbiamo sviluppato un singolo feed dalla forma precisa che potrebbe portare a termine il lavoro. Nel frattempo, un palo metallico relativamente grande funge da terra per proteggere ogni alimentazione dalle scariche elettrostatiche.

Le celle unitarie sono poste in piccoli sottoarray 8 per 8, 16 sottoarray in totale. Ciascuno di questi sottoarray è alimentato con qualcosa che chiamiamo stripline d’aria sospesa, in cui la linea di trasmissione è sospesa tra due piani di massa, trasformando lo spazio in mezzo in un isolante dielettrico. Possiamo quindi trasmettere in sicurezza l’energia attraverso la stripline proteggendo comunque la linea dalle scariche elettriche che si accumulerebbero su un dielettrico come la ceramica o il vetro. Inoltre, le stripline d’aria sospese sono a bassa perdita, il che è perfetto per il design dell’antenna altamente efficiente che volevamo.

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Messi insieme, il nuovo design dell’antenna realizza tre cose: è altamente efficiente, può gestire una grande quantità di energia e non è molto sensibile alle fluttuazioni di temperatura. La rimozione dei tradizionali materiali dielettrici a favore delle stripline ad aria e un design solo in alluminio ci offre un’elevata efficienza. È anche un phased array , il che significa che utilizza un gruppo di antenne più piccole per creare segnali orientabili e strettamente focalizzati. La natura di un tale array è che ogni singola cella deve gestire solo una frazione della potenza di trasmissione totale.Quindi, mentre ogni singola cella può gestire solo una minuscola quantità di energia, ogni sottoarray può gestire più di 6 watt. È ancora basso, molto inferiore alle trasmissioni a 100 watt degli orbiter marziani, ma è sufficiente per le modeste velocità di downlink che ho menzionato sopra. E infine, poiché l’antenna è di metallo, si espande e si contrae uniformemente al variare della temperatura. In effetti, uno dei motivi per cui abbiamo scelto l’alluminio è perché il metallo non si espande o si contrae molto al variare della temperatura.

Quando inizialmente ho proposto questo concetto di antenna al progetto Europa lander, sono stato accolto con scetticismo. L’esplorazione dello spazio è in genere un’impresa molto avversa al rischio, per una buona ragione: le missioni sono costose e un singolo errore può terminarne una prematuramente. Per questo motivo, le nuove tecnologie possono essere respinte a favore di metodi collaudati. Ma questa situazione era diversa perché senza un nuovo design dell’antenna, non ci sarebbe mai stata una missione Europa. Al resto della mia squadra e a me è stato dato il via libera per dimostrare che l’antenna poteva funzionare.

La progettazione, la fabbricazione e il test dell’antenna hanno richiesto solo 6 mesi. Per contestualizzare, il tipico ciclo di sviluppo di una nuova tecnologia spaziale si misura in anni. I risultati sono stati eccezionali. La nostra antenna ha raggiunto la soglia di efficienza dell’80% su entrambe le bande di frequenza di invio e ricezione, nonostante fosse più piccola e leggera di altre antenne. Inoltre, non richiede un delicato gimbal per puntarlo verso la Terra. Invece, i subarray dell’antenna agiscono come un phased array in grado di modellare la direzione del segnale senza riorientare l’antenna. Per dimostrare il successo della nostra antenna, l’abbiamo sottoposta a una serie di test ambientali estremi, tra cui una manciata di test specifici per l’ambiente atipico di Europa. Un test è quello che chiamiamo ciclo termico. Per questo test, posizioniamo l’antenna in una stanza chiamata camera termica e regoliamo la temperatura su un ampio intervallo, a partire da -170 ℃ e fino a 150 ℃. Sottoponiamo l’antenna a più cicli di temperatura, misurando le sue capacità di trasmissione prima, durante e dopo ogni ciclo. L’antenna ha superato questo test senza problemi.

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L’antenna doveva anche dimostrare, come qualsiasi pezzo di hardware che va nello spazio, la resilienza contro le vibrazioni. I razzi, e tutto ciò che stanno trasportando nello spazio, si muovono intensamente durante il lancio, il che significa che dobbiamo essere sicuri che tutto ciò che sale non si sfaldi durante il viaggio. Per il test di vibrazione, abbiamo caricato l’intera antenna su un tavolo vibrante. Abbiamo usato gli accelerometri in punti diversi dell’antenna per determinare se reggeva o si rompeva sotto le vibrazioni. Nel corso del test, abbiamo aumentato le vibrazioni fino al punto in cui si avvicinano a un lancio.

I test sui cicli termici e sulle vibrazioni sono test standard per l’hardware su qualsiasi veicolo spaziale, ma come ho detto, l’ambiente difficile di Europa ha richiesto alcuni test aggiuntivi non standard. Solitamente eseguiamo alcuni test in camere anecoiche per antenne. Potresti riconoscere le camere anecoiche come quelle stanze con superfici coperte da cunei per assorbire eventuali riflessioni di segnale. Una camera anecoica ci permette di determinare la propagazione del segnale dell’antenna su distanze estremamente lunghe eliminando le interferenze delle riflessioni locali. Un modo per pensarci è che la camera anecoica simula un ampio spazio aperto, quindi possiamo misurare la propagazione del segnale ed estrapolare come apparirà su una distanza maggiore.

Ciò che ha reso interessante questo particolare test in camera anecoica è che è stato condotto anche a temperature ultrabasse. Non siamo riusciti a rendere l’intera camera così fredda, quindi abbiamo posizionato l’antenna in una scatola di schiuma sigillata. La schiuma è trasparente alle trasmissioni radio dell’antenna, quindi dal punto di vista del test vero e proprio, non c’era. Ma collegando la scatola di schiuma a una piastra di scambio termico piena di azoto liquido, potremmo abbassare la temperatura al suo interno a -170 ℃. Con nostra gioia, abbiamo scoperto che l’antenna aveva una robusta propagazione del segnale a lungo raggio anche a quella temperatura gelida. L’ultimo test insolito per questa antenna è stato quello di bombardarla con elettroni per simulare l’intensa radiazione di Giove. Abbiamo usato l’ acceleratore di elettroni Dynamitron di JPL per sottoporre l’antenna all’intera dose di radiazioni ionizzanti che l’antenna vedrebbe durante la sua vita in un lasso di tempo ridotto. In altre parole, nell’arco di due giorni nell’acceleratore, l’antenna è stata esposta alla stessa quantità di radiazioni che sarebbe stata durante il viaggio di sei o sette anni in Europa, più fino a 40 giorni in superficie. Come il test della camera anecoica, anche noi abbiamo condotto questo test a temperature criogeniche che erano il più vicino possibile a quelle delle condizioni della superficie di Europa.

Il motivo del test di bombardamento di elettroni era la nostra preoccupazione che le radiazioni ionizzanti di Giove avrebbero causato una scarica elettrostatica pericolosa alla porta dell’antenna, dove si collega al resto dell’hardware di comunicazione del lander. In teoria, il pericolo di una tale scarica aumenta man mano che l’antenna trascorre più tempo esposta alle radiazioni ionizzanti. Se si verifica una scarica, potrebbe danneggiare non solo l’antenna ma anche l’hardware più in profondità nel sistema di comunicazione e possibilmente altrove nel lander. Per fortuna, non abbiamo misurato alcuna scarica durante il nostro test, il che conferma che l’antenna può sopravvivere sia al viaggio che a lavorare su Europa.

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Abbiamo progettato e testato questa antenna per Europa, ma riteniamo che possa essere utilizzata per missioni in altre parti del sistema solare. Stiamo già modificando il progetto per la missione congiunta JPL/ESA Mars Sample Return che, come suggerisce il nome, riporterà sulla Terra rocce, suolo e campioni atmosferici marziani. La missione è attualmente prevista per il lancio nel 2026 . Non vediamo alcun motivo per cui il nostro design dell’antenna non possa essere utilizzato su ogni futuro lander o rover su Marte come alternativa più robusta, che potrebbe anche aumentare la velocità dei dati da 4 a 16 volte quella degli attuali progetti di antenna. Potremmo anche usarlo nelle future missioni lunari per fornire velocità di trasmissione dati elevate. Sebbene non ci sia ancora una missione Europa lander approvata, noi del JPL saremo pronti se e quando accadrà. Altri ingegneri hanno perseguito diversi progetti che sono anche necessari per tale missione. Ad esempio, alcuni hanno sviluppato un nuovo sistema di atterraggio a più gambe per atterrare in sicurezza su superfici instabili o instabili. Altri hanno creato un “pannello di pancia” che proteggerà l’hardware vulnerabile dal freddo di Europa. Altri ancora hanno lavorato su un sistema di atterraggio intelligente, batterie resistenti alle radiazioni e altro ancora. Ma l’antenna rimane forse il sistema più vitale, perché senza di essa non ci sarà modo per il lander di comunicare quanto bene funzionino questi altri sistemi. Senza un’antenna funzionante, il lander non sarà mai in grado di dirci se potremmo avere vicini viventi su Europa.

Fonte: https://spectrum.ieee.org/

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