Oggi l’Italia hi-tech sbarca su Marte, ecco perché il nostro Paese è protagonista della missione ExoMars

ExoMars: oggi è il giorno in cui l'Europa sbarca su Marte, con l'Italia in prima fila

Oggi è il giorno in cui l’Europa sbarca su Marte, con l’Italia in prima fila: il lander Schiaparelli, cuore della missione europea ExoMars, si immergerà tra le tempeste di sabbia, e raccoglierà dati sulle radiazioni cosmiche e sul roccioso terreno del Pianeta Rosso, testando una serie di tecnologie necessarie ad una futura colonizzazione umana: un paracadute, uno scudo termico, una struttura deformabile e un sistema di propulsione. A portare il lander grande come una automobile in rotta verso il Meridiani Planum, è stata la sonda orbitante Trace Gas Orbiter (TGO), dalla quale Schiaparelli si è separata domenica scorsa alle 16:42 ora italiana.

Oggi la fase più critica della missione, lo storico “ammartaggio” del primo oggetto italiano su Marte avverrà alle 16.48 ora italiana, dopo sei minuti “di terrore”: 360 secondi durante i quali dovrà rallentare da 21mila chilometri orari a zero, e dovrà entrare in azione un paracadute, realizzato ad Aprilia, e dei retrorazzi. La conferma ufficiale del touchdown di Schiaparelli verrà resa nota alle 18:33, mentre dalle 20.25, sarà la sonda orbitante a comunicare il suo corretto inserimento in orbita

dreamsUn ruolo cruciale in questa complessa fase lo svolgerà un altro strumento italiano, Radar Doppler Altimeter (RDA) montato sul lander e realizzato nello stabilimento Thales Alenia Space di Roma. Questo sofisticato radar in banda Ka permetterà di gestire in completa autonomia da Terra la brevissima fase finale, della durata inferiore a 100 secondi, necessaria a raggiungere la superficie di Marte.

Il programma ExoMars è frutto di una cooperazione internazionale tra l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) e l’Agenzia Spaziale Russa (Roscosmos), fortemente sostenuto anche dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI). Il Programma è sviluppato da un consorzio Europeo guidato da Thales Alenia Space Italia realizzato da Thales Alenia Space (joint venture tra Thales 67% e Leonardo-Finmeccanica 33%), che coinvolge circa 134 aziende spaziali dei Paesi partner dell’ ESA. Thales Alenia Space Italia, prime contractor del programma ExoMars, è responsabile della progettazione di entrambe le missioni 2016 e 2020. Telespazio (Leonardo-Finmeccanica 67%, Thales 33%) è infine responsabile dello sviluppo di alcuni sistemi chiave del segmento di terra della missione, tra cui il Mission Control System, usato per monitorare e controllare il TGO nel 2016.

L’Italia sbarca su Marte

Rappresentazione artistica del Trace Gas Orbiter (TGO, in alto a sinistra) e del modulo Schiaparelli (in basso a destra), che compongono la missione ExoMars 2016. Il modulo Schiaparelli è rappresentato nella sua configurazione di superficie, dopo il distacco dei suoi scudi termici e paracadute ( visibili sullo sfondo) durante la discesa nell'atmosfera marziana. Il TGO e Schiaparelli non sono rappresentati in scala. Crediti: ESA/ATG medialab
Rappresentazione artistica del Trace Gas Orbiter (TGO, in alto a sinistra) e del modulo Schiaparelli (in basso a destra), che compongono la missione ExoMars 2016. Il modulo Schiaparelli è rappresentato nella sua configurazione di superficie, dopo il distacco dei suoi scudi termici e paracadute (visibili sullo sfondo) durante la discesa nell’atmosfera marziana. Il TGO e Schiaparelli non sono rappresentati in scala. Crediti: ESA/ATG medialab

L’Italia va su Marte, con tutta la sua scienza, la sua alta tecnologia, la sua industria spaziale. ExoMars è l’unione delle forze tra l’Esa e l’agenzia spaziale russa Roscosmos, e comprende il Trace Gas Orbiter (Tgo) ed il dimostratore di entrata, discesa ed atterraggio Schiaparelli. In questo straordinario scenario, il nostro Paese, con l’Agenzia Spaziale Italiana, è pronto a iniziare l’avventura marziana a 55 milioni di chilometri dalla Terra.

L’obiettivo del lander Schiaparelli è testare una gamma di tecnologie per consentire una discesa controllata e l’atterraggio su Marte in preparazione per future missioni, compresi uno scudo termico, un paracadute, un sistema di propulsione ed una struttura deformabile.

Il Trace Gas Orbiter (Tgo) invece comincerà la sua missione scientifica alla fine del 2017, dopo un anno di complesse manovre di “aerobraking” (aerofrenaggio, per la riduzione della velocià) per far circolare la propria orbita.

Schiaparelli trasporta anche un piccolo pacchetto scientifico che registrerà la velocità del vento, l’umidità, la pressione e la temperatura sul luogo di atterraggio, ed otterrà inoltre le prime misurazioni dei campi elettrici della superficie di Marte che potrebbero fornire un’indizio di come le tempeste di sabbia vengono scatenate.

exomars1In questa avventura, che vede coinvolte circa 1.500 persone a livello Europeo nel programma ExoMars con oltre 600 in Leonardo e 134 aziende di Paesi partner dell’Esa coinvolte e coordinate da Thales Alenia Space, è l’Italia hi-tech ad approdare sul Pianeta Rosso. Attraverso la partecipata Thales Alenia Space, il colosso aerospaziale italiano Leonardo ha la leadership di entrambe le missioni ExoMars del 2016 e del 2020. Realizzati da Leonardo molti dei prodotti ad alto contenuto tecnologico usati nel programma: i sensori stellari di assetto, i pannelli fotovoltaici, il piano focale e l’elettronica di processamento della telecamera stereo di Cassis, le unità elettroniche di alimentazione e la sofisticatissima trivella che partirà nel 2020 per scavare con la sua punta di diamante il suolo marziano per la prima volta nella storia fino a una profondità di 2 metri alla ricerca di tracce di vita. Attraverso la controllata Telespazio, Leonardo è anche responsabile di alcuni sistemi chiave del segmento di terra di ExoMars. In questa missione 2016 sono quattro i pannelli solari realizzati da Leonardo con apertura alare di 17, 5 metri e garantiscono alimentazione a una distanza dal Sole che all’arrivo della sonda in atmosfera marziana è di 1.38 unità astronomiche, pari a 207 milioni di chilometri. La durata del viaggio della sonda verso Marte, guidata dai sensori stellari Leonardo, è stata di sette mesi e la velocità della sonda all’arrivo nell’atmosfera marziana sarà di 21.000 chilometri l’ora. La distanza Marte-Terra all’arrivo è di 178 milioni di chilometri.

Credit: ESA/ATG medialab
Credit: ESA/ATG medialab

Il Tgo lavorerà su un’orbita di 400 chilometri, la distanza della Iss, per 100.000 chilometri, il triplo della distanza della Luna, farà centinaia di orbite di 4 giorni l’una, per 12 mesi: in tutto la navicella percorrerà mezzo miliardo di chilometri, sempre guidata dai sensori stellari di Leonardo. A bordo anche la camera stereoscopica Cassis, cui ha contribuito Leonardo, che riprenderà foto 3D di Marte, con un dettaglio di 5 metri. Dopo il rilascio di Schiaparelli da Tgo il 16 ottobre, si passa alla fase dell’atterraggio del 19 ottobre ed il lander avrà 6 minuti per decelerare da 21.000 a 0 chilometri l’ora per atterrare. L’atterraggio di Schiaparelli deve essere totalmente autonomo, non può essere radioguidato perché a questa distanza i segnali radio impiegano 9,5 minuti da Marte alla Terra. Il sito su Marte scelto per l’atterraggio del lander è il Meridiani Planum che ha una depressione con diametro di 1.000 chilometri circa.

La Missione

Credit: ESA/ATG medialab. Grafica: Davide Coero Borga
Credit: ESA/ATG medialab. Grafica: Davide Coero Borga

La missione è suddivisa in due fasi. Nella prima, iniziata a marzo 2016, una sonda (TGO) resterà nell’orbita di Marte per indagare la presenza di metano e altri gas presenti nell’atmosfera, possibili indizi di una presenza di vita attiva, mentre un modulo (EDM) denominato Schiaparelli contenente la stazione meteo (Dreams) ed altri strumenti, atterrerà su Marte, il 19 ottobre. Nella seconda parte della missione, che prenderà invece il via nel maggio 2020, l’obiettivo è portare sul Pianeta Rosso un innovativo rover capace di muoversi e dotato di strumenti per penetrarne ed analizzarne il suolo.

Il 21 ottobre 2015 l’ESA ha annunciato la scelta del primo candidato per il landing del 2020. Si tratta di Oxia Planum, selezionato all’interno di una rosa di quattro siti.

Obiettivi Scientifici
ExoMars è stato concepito e realizzato con l’obiettivo principale di acquisire e dimostrare la capacità autonoma europea di eseguire un atterraggio controllato sulla superficie marziana, operare sul suolo marziano in mobilità di superficie, accedere al sottosuolo per prelevarne campioni e analizzarli in situ. Nello specifico, la missione indagherà le tracce di vita passata e presente su Marte, la caratterizzazione geochimica del pianeta, la conoscenza dell’ambiente marziano e dei suoi aspetti geofisici e l’identificazione dei possibili rischi per le future missioni umane.

Il contributo italiano

L’ESA ha assegnato all’industria italiana la leadership principale di entrambe le missioni; oltre alla responsabilità complessiva di sistema di tutti gli elementi, è sempre italiana la responsabilità diretta dello sviluppo del modulo di discesa di ExoMars 2016, denominato Schiaparelli, del drill di due metri che perforerà il suolo marziano per il prelievo di campioni e del centro di controllo da cui il Rover verrà operato.

Per quanto concerne il contributo scientifico, gli strumenti proposti con P.I Italiano e selezionati da ESA sono i seguenti:

  • dreamsDREAMS (Dust characterization, Risk assessment and Environment Analyser on the Martian Surface) suite di sensori per la misura dei parametri meteorologici (pressione, temperatura, umidità, velocità e direzione del vento, radiazione solare) e del campo elettrico atmosferico in prossimità della superficie di Marte. Esso avrà la possibilità di studiare le condizioni ambientali sul pianeta nel periodo, particolarmente interessante, in cui si prevede una forte presenza di polveri nell’atmosfera (Francesca Esposito INAF/Osservatorio Astronomico di Napoli)
    • AMELIA (Atmospheric Mars Entry and Landing Investigation and Analysis), modellistica dell’atmosfera marziana impiegando i dati raccolti dai sensori durante la discesa del lander Schiaparelli sulla superficie marziana (Francesca Ferri CISAS- Università di Padova)
     MA_MISS (Mars Multispectral Imager for Subsurface Studies) spettrometro per l’analisi dell’evoluzione geologica e biologica del sottosuolo marziano, inserito all’interno del Drill, che consentirà di analizzare la conformazione della superficie interna della perforazione effettuata dal Drill stesso (Maria Cristina De Sanctis (INAF/IAPS, Roma, Divisione Sistemi Avionici e Spaziali di Finmeccanica).
  • INRRI (INstrument for landing-Roving laser Retroreflector Investigations) il microriflettore laser dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) è stato  realizzato con la supervisione scientifica di Simone Dell’Agnello, fisico dei Laboratori Nazionali di Frascati (LNF) dell’INFN.

Il contributo tecnologico dell’industria italiana

ThalesThales Alenia Space Italia, capofila industriale del programma ExoMars, è responsabile della progettazione e della realizzazione di entrambe le missioni 2016 e 2020 alla conquista del ‘Pianeta Rosso‘. Il composito team internazionale coordinato da Thales Alenia Space ha dovuto sviluppare e integrare numerose soluzioni tecnologiche in grado di rispondere ai requisiti di un progetto del tutto nuovo per l’intera comunità spaziale europea. Questi i principali componenti:

RADAR DOPPLER ALTIMETER (RDA). Montato sul Descent Module (DM) è cruciale proprio nella fase finale di discesa ed atterraggio del DM sulla superficie di Marte. Il RDA impiega componentistica ad alta frequenza sia per le parti elettriche (unità trasmittente e unità ricevente) che per quelle meccaniche (antenna). Questo sofisticato radar in banda Ka – progettato per operare da altezze che vanno dai chilometri alla decina di metri e con ridotte dimensioni in modo da consentire l’imbarco del RDA nel modulo di discesa – rappresenta una delle tecnologie di punta del sito romano dell’azienda per le missioni interplanetarie. Permetterà di gestire in completa autonomia da Terra la brevissima fase finale, della durata inferiore a 100 secondi, necessaria a raggiungere la superficie di Marte.

CONTROLLO TERMICO E SCUDI TERMICI ABLATIVI. Il controllo termico di ExoMars, in particolare della sonda Schiaparelli, rappresenta uno degli elementi di novità e di sfida che la missione ha presentato per l’Agenzia Spaziale e l’industria europea. La variabilità degli ambienti e della configurazione (dalla crociera interplanetaria ai flussi aerotermici durante l’ingresso in atmosfera alle operazioni scientifiche sull’ostile superficie del pianeta per EDM; fase orbitale e aerobraking per il TGO), la durata della missione, la limitatezza delle risorse energetiche di EDM dopo la separazione hanno reso necessario lo sviluppo di un approccio di controllo termico assai specifico, iniziato nel lontano 2008 e basato su estese campagne di simulazione numerica e di test. Oltre ad una combinazione di materiali e componenti per l’isolamento termico in vuoto e in CO2 e per l’ottimizzazione delle proprietà radiative delle superfici, il controllo termico si è avvalso di capacitori termici a cambio di fase in grado di assorbire i picchi di dissipazione nelle isolatissime baie interne, di profili operativi ottimizzati (ad es un thermal boost per immagazzinare energia prima della separazione) e di scudi termici ablativi per fronteggiare l’ingresso atmosferico.

STRUTTURA DEFORMABILE (CRUSHABLE). La sopravvivenza al landing delle sofisticate apparecchiature che effettueranno le misure nella Planum Meridiani per circa quattro giorni marziani sarà garantita da una struttura deformabile (crushable) appositamente progettata per assorbire l’urto derivante dall’impatto della sonda col terreno. Essa è di base una struttura sandwich complessa tronco-conica con pelli in kevlar/alluminio e nido d’ape in alluminio che protegge l’intera superficie inferiore della piattaforma e interposta tra quest’ultima e il Radar Dopple Altimeter. È inoltre internamente cava nella zona centrale per alloggiare sul lato inferiore della piattaforma parte dell’avionica di bordo non operativa sul Pianeta ed è supportata in tale zona da un sistema di stand-off. Il suo spessore è stato ottimizzato, compatibilimente con il volume disponibile all’interno dell’EDM, sia per assorbire l’urto con asperità localizzate del terreno sia per ridurre la brusca decelerazione all’impatto fino ai limiti richiesti dal progetto. L’urto col suolo marziano è infatti previsto avvenire in conseguenza del breve tratto di caduta libera a cui è soggetta la piattaforma dal momento del cut-off dei motori, programmato a un’altezza di circa 1,8 m dal suolo stesso. La tecnologia utilizzata è stata appositamente sviluppata per il Programma ExoMars 2016, mediante modellizzazione e analisi di simulazione non lineari correlate con i risultati ottenuti da una ampia campagna di test. Questi ultimi sono stati effettuati in differenti condizioni ambientali sia su campioni di materiali deformabili e sia su modelli 1:1 della struttura deformabile stessa, mediante test di impatto in specifiche configurazioni di caduta.