È incredibile pensare che ci siano dei telescopi nello spazio, proprio ora, che indirizzano il loro sguardo su oggetti distanti per ore, giorni e persino settimane. Fornire un punto di vista così stabile e preciso che possiamo 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. Tutto senza l'uso 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 abbia 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, finirle prematuramente prima che la scienza sia all-in.
Probabilmente ho usato i termini ruote di reazione e giroscopi in modo intercambiabile in passato, ma hanno scopi leggermente diversi.
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 del momento.
Non c'è resistenza all'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 ruotano in tutte e tre le direzioni, puoi ruotare il telescopio in qualsiasi direzione desideri.
Le ruote sono fisse in posizione e ruotano tra 1.000 e 4.000 giri al minuto, aumentando il momento angolare nel veicolo spaziale. Per cambiare l'orientamento del veicolo spaziale, cambiano la velocità con cui girano le ruote.
Questo crea una coppia che fa spostare il veicolo spaziale nella sua direzione prescelta o precessione.
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 in rotazione, puoi continuare a cambiare direzione, usando solo la potenza del Sole.
Le ruote di reazione sono usate praticamente su tutti i veicoli spaziali, dai piccoli cubesati al telescopio spaziale Hubble.
Con tre ruote, puoi cambiare l'orientamento in qualsiasi punto in 3 dimensioni. Ma LightSail 2 della Planetary Society ha solo una singola ruota del momento per spostare l'orientamento della sua vela solare, da bordo a sole e poi a lato per alzare l'orbita solo dalla luce solare.
Naturalmente, conosciamo meglio le ruote di reazione a causa dei tempi in cui hanno fallito, mettendo fuori servizio i veicoli spaziali. Missioni come FUSE e Hayabusa di JAXA.
Le ruote della perdita di reazione di Keplero e la soluzione geniale
Il più famoso è il Kepler Space Telescope della NASA, lanciato il 9 marzo 2009 per trovare pianeti in orbita attorno ad altre stelle. Keplero era dotato di 4 ruote di reazione. Tre erano necessari per mantenere il telescopio puntato con attenzione verso una regione di cielo, e poi uno di riserva.
Stava osservando che qualsiasi stella nel suo campo visivo cambiasse luminosità di un fattore 1 su 10.000, indicando che un pianeta poteva passare di fronte. Per risparmiare larghezza di banda, Keplero in realtà ha trasmesso 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 per continuare le sue osservazioni. E poi, a maggio 2013, la NASA ha annunciato che Keplero ha avuto un guasto con un'altra delle sue ruote. Quindi era fino a due.
Ciò portò a fermare le principali operazioni scientifiche di Keplero. Con solo due ruote in movimento, non è più in grado di mantenere la sua posizione in modo sufficientemente preciso da tracciare la luminosità della stella.
Sebbene la missione avrebbe potuto essere un fallimento, gli ingegneri hanno escogitato una strategia ingegnosa, usando la leggera pressione del Sole per agire come una forza su un asse. Bilanciando perfettamente il veicolo spaziale alla luce del sole, sono stati in grado di continuare a utilizzare le altre due ruote di reazione per continuare a fare osservazioni.
Ma Keplero fu costretto a guardare il minuscolo punto nel cielo che si allineava con il suo nuovo orientamento e spostò la sua missione scientifica alla ricerca di pianeti in orbita attorno a stelle nane rosse. Ha usato il suo propellente di bordo tornando sulla Terra per trasmettere dati. Alla fine Kepler rimase senza carburante il 30 ottobre 2018 e la NASA concluse la sua missione.
Allo stesso tempo in cui Keplero stava lottando con le sue ruote di reazione, la missione Dawn della NASA stava avendo problemi con le stesse stesse ruote di reazione.
Ruote di Dawn's Loss of Reaction
Dawn è stato lanciato il 27 settembre 2007 con l'obiettivo di esplorare i due più grandi asteroidi del sistema solare: Vesta e Cerere. Il veicolo spaziale è andato in orbita attorno a Vesta nel luglio 2011 e ha trascorso l'anno successivo a studiare e mappare il mondo.
Avrebbe dovuto lasciare Vesta e dirigersi verso 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 il veicolo spaziale è passato alle tre ruote funzionanti.
E poi nel 2012, anche la seconda delle sue ruote ha iniziato a guadagnare attrito e il veicolo spaziale è rimasto con solo due ruote rimanenti. Non abbastanza per mantenerlo completamente orientato nello spazio usando solo elettricità. Ciò significava che doveva iniziare a utilizzare il propellente all'idrazina per mantenere il suo orientamento per il resto della sua missione.
Dawn arrivò a Cerere, e attraverso un attento uso del propellente fu in grado di mappare questo mondo e le sue bizzarre caratteristiche di superficie. Alla fine, alla fine del 2018, l'astronave era fuori propellente e non era più in grado di mantenere il suo orientamento, mappare Cerere o inviare i suoi segnali sulla Terra.
L'astronave continuerà a orbitare attorno a Cerere, cadendo impotente.
C'è un lungo elenco di missioni le cui ruote di reazione hanno fallito. E ora gli scienziati pensano di sapere il perché. Nel 2017 è stato pubblicato un documento che stabiliva che l'ambiente dello spazio stesso stava causando il problema. Quando le tempeste geomagnetiche passano sul veicolo spaziale, generano cariche sulle ruote di reazione che causano un aumento dell'attrito e le fanno consumare più rapidamente.
Metterò un link a un ottimo video di Scott Manley che approfondisce i dettagli.
Hubble Space Telescope e i suoi giroscopi
Il telescopio spaziale Hubble è dotato di ruote di reazione per cambiare il suo orientamento generale, ruotando l'intero telescopio sulla velocità di una lancetta dei minuti su un orologio - 90 gradi in 15 minuti.
Ma per rimanere puntato su un singolo bersaglio, utilizza un'altra tecnologia: i giroscopi.
Ci sono 6 giroscopi su Hubble che ruotano a 19.200 giri al minuto. Sono grandi, massicci e ruotano così velocemente che la loro inerzia resiste a qualsiasi modifica all'orientamento del telescopio. Funziona meglio con tre - abbinando le tre dimensioni dello spazio - ma può operare con due, o anche con uno, con risultati meno precisi.
Nell'agosto 2005, i giroscopi di Hubble si stavano logorando e la NASA passò alla modalità a due giroscopi. Nel 2009, durante la missione di manutenzione 4, gli astronauti della NASA hanno visitato il telescopio spaziale e hanno sostituito tutti e sei i suoi giroscopi.
Questa è probabilmente l'ultima volta che gli astronauti visiteranno mai Hubble e il suo futuro dipende dalla durata di questi giroscopi.
Che dire di James Webb?
So che la semplice menzione del James Webb Space Telescope rende tutti nervosi. Più di $ 8 miliardi di dollari investiti finora e previsti per il lancio tra circa due anni. Volerà verso il punto Lagrange Terra-Sole L2, situato a circa 1,5 milioni di chilometri dalla Terra.
A differenza di Hubble, non c'è modo di volare fuori da James Webb per ripararlo se qualcosa va storto. E vedendo quanto spesso i giroscopi hanno fallito, questo sembra davvero un punto debole pericoloso. E se i giroscopi di James Webb fallissero? Come possiamo sostituirli.
James Webb ha delle ruote di reazione a bordo. Sono costruiti da Rockwell Collins Deutschland 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 di Dawn e Kepler. La missione Aura ha spaventato nel 2016 quando una delle sue ruote di reazione si è rotta, ma è stata recuperata dopo dieci giorni.
James Webb non sta usando giroscopi meccanici come Hubble per tenerlo sul bersaglio. Invece, sta usando una tecnologia diversa chiamata giros risonatore emisferico o HRG.
Questi usano un emisfero di quarzo che è stato modellato 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 eventuali lievi cambiamenti nel suo orientamento.
So che quel tipo di suono sembra incomprensibile, come se fosse alimentato da sogni di unicorno, ma puoi sperimentarlo da solo.
Tieni un bicchiere da vino e poi muovilo con un dito in modo che squilli. Lo squillo è il bicchiere da vino che flette avanti e indietro alla sua frequenza di risonanza. Mentre ruoti il vetro, anche la flessione avanti e indietro gira, ma resta indietro 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 spiegarli.
Ecco come James Webb rimarrà bloccato sui suoi obiettivi.
Questa tecnologia è volata sulla missione Cassini a Saturno e ha funzionato perfettamente. In effetti, a giugno 2011, la NASA aveva riferito che questi strumenti avevano sperimentato 18 milioni di ore di funzionamento continuo nello spazio su oltre 125 diversi veicoli spaziali senza un singolo guasto. In realtà è molto affidabile.
Spero che chiarisca le cose. Le ruote di reazione o momento sono utilizzate per riorientare i veicoli spaziali nello spazio, in modo che possano affrontare diverse direzioni senza utilizzare il 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 di filatura meccaniche o usano la risonanza dei cristalli vibranti per rilevare i cambiamenti di inerzia.
