Maruat Mukhamedzyanova (Orenburg, Orenburgskaya oblast, Russia) - Star named Sun (2021)

Parker, la sonda che ha sfiorato il Sole

di Vincenzo Rampolla

L’appuntamento dell’anno, il primo nella storia dell’astronomia tra la Sonda Parker Solar Probe e il Sole, è stato molto sofferto: 10 anni di ritardo rispetto al piano di lancio. Molto hanno giocato tre elementi basilari: la scelta del vettore di lancio richiesto per percorrere alla massima velocità di crociera la distanza Terra-Sole di 149 M km, l’inserimento della Sonda nell’orbita di Venere a minima distanza dal pianeta, per ricevere una spinta di accelerazione verso il Sole (cosiddetta fionda gravitazionale o flyby) e la sua protezione dal vento solare, dalle radiazioni e dal calore per compiere la missione scientifica, la sintesi in tre punti:

• Capire come avviene il riscaldamento della corona e l’accelerazione del vento solare,
• Identificare le aree di origine dei differenti tipi di vento solare e registrare le strutture e l’evoluzione delle forme della corona nella fotosfera e a grandi distanze dal Sole,
• Scoprire come vengono accelerati i raggi cosmici e le particelle solari.

La strada è stata aperta da missioni solari del passato, il Solar and Heliospheric Observatory che da fine anni ‘90 ha fornito immagini uniche del Sole e della sua corona e la sonda Ulysses, che ha misurato il vento solare e il campo magnetico del Sole, su un’orbita che le ha permesso di osservarne i poli e di rilevare i venti solari in assoluto i più veloci: 2,9 M km/h.

La possibilità di ottenere dati sfiorando il Sole, ha rivoluzionato le basi dell’astrofisica del Sole e delle altre stelle nell’Universo. La piccola sonda Parker ha affrontato condizioni ambientali inconcepibili, tali da portare rivelazioni sorprendenti e emozionanti; un’apparecchiatura spaziale di 550 kg (di cui 70 per il sistema di protezione), che ha marcato la storia di primati: Parker Solar Probe è tuttora l’unico oggetto costruito dall’uomo ad aver raggiunto la più alta velocità di sempre, ma soprattutto, è la sonda spaziale ad essersi avvicinata maggiormente al Sole, violandone la corona. Record difficilmente ripetibili nel breve termine.

Grazie all’analisi della fisica della corona e dell’eliosfera interna del Sole, compito della Sonda è studiare gli effetti dell'attività solare su strutture e sistemi tecnologici disseminati sul pianeta Terra: le interferenze sulle comunicazioni via satellite, i disturbi alle reti elettriche, le erosioni dei gasdotti. Essa opera immersa a circa 6,4 M km dalla sua superficie, alla velocità massima di rotazione di 692.000 km/h. La corona solare è la parte più esterna dell'atmosfera del Sole, ove le temperature raggiungono i 2M °C, mentre la superficie del Sole sottostante è in ebollizione a una temperatura di 5.500 °C. Come la corona diventi molto più calda della superficie rimane uno dei grandi quesiti dell'astrofisica ancora senza risposta. Formata soprattutto da idrogeno, elio e vapori prodotti dagli strati sottostanti dell'atmosfera solare, la corona si estende in profondità  per milioni di km ed è stata misurata in dettaglio dalla Sonda: forma sferoidale con estensione tra 19,7 - 18,4 raggi solari e estremamente instabile a causa delle linee magnetiche generate dall'interazione delle zone sottostanti, fenomeno in perenne variabilità denominato di switch backs, che piega e modifica i campi magnetici e continuamente altera la corona con geometrie fortemente mutevoli.

Dopo un viaggio a destinazione di 32 mesi, iniziato nell’agosto 2018, la Sonda è penetrata nell’atmosfera solare a 13 M km dalla corona, la sua missione durerà quasi 7 anni. Seguiamola nei preparativi e nei suoi primi passi. Ha completato 3 dei 24 passaggi programmati all’interno della corona solare, mai esplorata prima. Il 4 dicembre 2019 la rivista Nature ha pubblicati articoli che descrivono le scoperte effettuate finora. Nour E. Raouafi, Capo progetto della Sonda presso il Johns Hopkins Applied Physics Laboratory di Laurel (Maryland), l’ha realizzata per conto della NASA. Quello che abbiamo imparato in queste sole tre prime orbite - ha detto - ha cambiato di molto la nostra conoscenza del Sole. La complessità dei primi dati osservati è stata sconvolgente - ha aggiunto Stuart Bale, responsabile del complesso di strumenti Fields per l’Università della California di Berkeley, studioso della forma dei campi elettrici e magnetici. - Ora ci sono abituato, ma quando li ho mostrati per la prima volta ai miei colleghi sono rimasti sbalorditi. Dal punto di osservazione della Sonda, a 24 M km dal Sole, il vento solare è apparso più impetuoso e instabile di quello che raggiunge la Terra.

Al pari del Sole stesso, il vento solare è costituito da plasma, massa gassosa ad altissima temperatura, con elettroni negativi separati dagli ioni positivi che creano un flusso di particelle che fluttuano libere con la propria carica elettrica individuale. La corona, insieme di particelle aggregatesi per la forte gravità esercitata dalla stella e dai suoi potenti campi magnetici, oltre una certa soglia di distanza dal Sole rallenta questa forza e le particelle si disperdono nello spazio come vento solare. Come fra la Terra e il Sole esiste un punto in cui il vento solare passa dal moto rotazionale, solidale al Sole, a quello radiale diretto all’esterno [come il moto di rotazione del martello lanciato dall’atleta sulla pedana], così il punto di transizione fra il moto rotazionale e quello radiale è strettamente collegato alla modalità in cui il Sole diffonde la sua energia. Trovare questo punto può aiutare a comprendere il ciclo vitale delle altre stelle e i meccanismi di formazione dei dischi proto-planetari, densi ammassi di gas e polveri orbitanti attorno alle stelle giovani, che alla fine condensano formando i pianeti.

I rilievi della Sonda hanno gettato una nuova luce su due tipologie di eventi meteorologici spaziali: le tempeste di particelle energetiche e le espulsioni di massa coronale (Coronal Mass Ejections), ovvero le espulsioni di materiale dalla corona solare sotto forma di plasma costituito essenzialmente da elettroni e protoni, che viene trascinato via dal campo magnetico della corona stessa.

Entra in gioco la differenza tra calore e temperatura: alte temperature non corrispondono sempre a un riscaldamento effettivo. Nello spazio, ci può essere una temperatura di migliaia di gradi senza riscaldare un corpo. Perché? La temperatura rileva la velocità del moto delle particelle, mentre il calore misura l‘energia totale che trasferiscono. Le particelle possono muoversi velocemente (alta temperatura), ma nel vuoto si contano e trasferiranno alla Sonda poca energia (basso calore).

Come proteggere allora dal vento la Sonda e tutti i suoi strumenti?

La corona attraversata dalla Sonda, pur con temperature di milioni di gradi ha densità molto bassa, quindi la Sonda viaggia attraversando in superficie temperature elevatissime, ma protetta da scudi termici con le superfici costantemente rivolte verso il Sole e si riscalderà a 1.400 °C. Per difendersi da quel calore, utilizza uno scudo speciale TPS (Thermal Protection System) con diametro 2,4 m e spessore 11,5 cm. Risultato: dalla parte opposta dello scudo il corpo della Sonda è a 30 °C.

Il TPS è stato progettato da Johns Hopkins dell’Applied Physics Laboratory Centre e costruito dalla Carbon-Carbon Advanced Technologies, utilizzando una schiuma composita di carbonio inserita tra due pannelli di carbonio. Su questo isolamento, piastra rivolta al sole, viene passata una mano finale di vernice ceramica bianca per rinviare il massimo calore possibile. Testato per resistere fino a 1.650 °C, il TPS può gestire elevati flussi di calore, mantenendo al sicuro l’intera strumentazione. Video NASA mostrano operatori del Centro che dirigono un cannello di fiamma ossidrica sulla schiuma (1300°C) mentre la mano sul lato opposto resta illesa.

Ma non tutti gli strumenti della Parker sono protetti dal TPS.

Dietro allo scudo termico sporge la Solar Probe Cup, uno dei 2 strumenti della Sonda non protetto dallo scudo termico. Si tratta della coppa di Faraday, sensore progettato per misurare la direzione del flusso di vento solare e di quelli di particelle cariche e elettroni. Per garantire letture accurate a bordo degli strumenti, la coppa è protetta da fogli di titanio-zirconio-molibdeno, con punto di fusione intorno a 2.349 °C. Le griglie che la alimentano sono in tungsteno, metallo con punto di fusione di 3.422 °C. Normalmente per incidere le linee delle griglie vengono utilizzati i laser, in questo caso per l'elevato punto di fusione si è dovuto ricorrere a acidi.

E il cablaggio elettronico? La maggior parte dei cavi fonderebbe per l'esposizione alle radiazioni di calore e i chimici del Centro hanno coltivato tubi di cristallo di zaffiro sintetico (fusione a 1900°C) per sospendere i cavi e cavi in niobio (fusione a 2468 °C). [lo zaffiro è noto fin dai tempi biblici, usato dal re Salomone e ai nostri giorni dalla principessa Diana, nell’anello di nozze].

Per assicurarsi che la Sonda resista all'ambiente solare, i ricercatori hanno simulato in laboratorio il calore del Sole con un acceleratore di particelle e proiettori per aumentarne la temperatura.

I proiettori imitavano la radiazione del calore solare, mentre l'acceleratore di particelle esponeva la coppa alle radiazioni per verificare che potesse controllare le particelle accelerate in condizioni estreme. Per raggiungere l’assoluta resistenza della coppa all'intensa emissione solare, si è usata la fornace solare di Odeillo (Francia), la più grande del mondo, che con un sistema 10.000 specchi regolabili è capace di proiettare la radiazione solare su una parabola riflettente e di dirigerla sul bersaglio all’interno di una torre centrale.

Resta ancora il problema di raffreddare l'impianto con il liquido di raffreddamento più adatto. Esistono molti refrigeranti chimici, ma solo l'acqua può gestire l’estensione di temperature cui è esposta la Sonda, 10 - 125 °C. Vengono utilizzati circa 4 litri di acqua deionizzata e pressurizzata, affinché il punto di ebollizione sia superiore a 125 °C e se ne eviti l’evaporazione.

Da ultimo, le modalità di trasmissione/comunicazione con la Sonda, problema chiave comune a ogni veicolo spaziale. Essa deve essere dotata di una gestione di trasmissione dei messaggi da e verso la Terra di assoluta affidabilità e per ogni situazione. La luce, come ogni segnale inviato dalla Sonda, impiega poco più di 8 minuti per raggiungere la Terra, e se dalla Terra il Centro dovesse controllarla, in caso di avaria o di altro evento, sarebbe troppo tardi per intervenire. Per questo, è stata concepita e progettata una modalità per mantenerla autonomamente operativa e in condizione di sicurezza, sempre sulla rotta verso il Sole. Diversi sensori, di grandezza pari al mouse di un PC, sono integrati nel corpo della Sonda lungo il perimetro dello scudo termico. Quando un sensore rileva luce solare, trasmette un segnale al computer centrale di bordo e la Sonda può correggere la sua posizione e mantenere i sensori e gli strumenti protetti in totale sicurezza. Avviene senza alcun intervento umano. Il software del computer centrale è stato programmato e super-testato per essere, diciamo, matematicamente certi che tutte le correzioni possano essere apportate al volo in modo automatico dall’intelligenza di bordo.

All’inizio del viaggio, terminato il lancio, la Sonda ha dovuto rilevare la posizione del Sole, attivare e allineare lo schermo TPS di protezione dal suo calore e radiazioni e continuare il suo viaggio proteggendosi anche dal gelo dello spazio siderale.

Nel corso dei 7 anni di durata della missione, nei prossimi 4 anni la Sonda compirà 24 orbite intorno al Sole. Ad ogni avvicinamento al Sole, a distanza sempre più ravvicinata, dotata di uno straordinario corredo di apparecchiature, campionerà il vento solare, studierà la corona solare e fornirà osservazioni ravvicinate senza precedenti.

Guidata dalle leggi della meccanica celeste di Keplero, il 21 novembre, Parker Solar Probe ha viaggiato a 586.000 km/h nel suo lungo tragitto interplanetario. Tra il 29 dicembre 2021 e il 9 gennaio 2022, per 3 orbite volerà in piena fotosfera a 6,3 Mkm dal Sole, alla velocità di circa 692.000 km/h, record assoluto per un oggetto costruito dall’uomo: un sistema in moto orbitale viaggia molto velocemente nel punto di massima vicinanza al corpo attorno a cui ruota. Minore è la distanza, più è veloce! E dopo? Terminato il viaggio di 6 anni e 321 giorni, la Sonda chiuderà la sua missione a fine giugno 2025. Per 88 giorni rimarrà ancora in rotazione intorno al Sole con un’orbita di flyby su Venere e muta resterà nello spazio. Senza ritorno.

(consultazione:    nasa daily reports)