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Tornare a terra con il surf

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Aerospaziale e aviazione

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Una capsula piena di campioni di materiale sulla via del ritorno sulla Terra. Esposta a forze centrifughe fino a 12 G e a temperature da -270 a 5.000 gradi Celsius nel suo guscio. La capsula deve sfidare tutto questo per riportare indietro una risposta a una domanda esistenziale: Qual è l'origine della vita sul nostro pianeta? Gli scienziati usano le sonde spaziali per cercare indizi, per esempio, su asteroidi e comete. Questo perché ci sono alcune indicazioni che questi corpi celesti hanno avuto un ruolo importante nella genesi della vita. Naturalmente, è fondamentale che la capsula (e il suo prezioso carico) sopravviva al rientro nell'atmosfera e atterri senza danni. E questo è ciò di cui si occupa il progetto HADES dell'Università svizzera di scienze applicate di Ginevra, sponsorizzato da FAULHABER. Per la stabilizzazione dinamica dell'assetto di volo della capsula, il team di HADES si affiderà in futuro ai motori lineari di FAULHABER.

Nel 1969 Neil Armstrong e Buzz Aldrin furono le prime persone a mettere piede sulla luna. La loro missione di allunaggio è stata la prima missione spaziale durante la quale sono stati raccolti campioni su un corpo celeste e riportati sulla Terra. Ancora oggi, gli scienziati continuano a valutare e fare nuove scoperte dal materiale. I viaggi spaziali con equipaggio sono, tuttavia, troppo costosi e complicati per raccogliere rocce cosmiche. Dall'Apollo 11, sono state soprattutto le sonde senza equipaggio a raccogliere sostanze dai corpi celesti.

Polvere di stelle al grammo

Mentre i famosi astronauti hanno riportato rocce lunari a centinaia di chili, le missioni senza equipaggio si accontentano generalmente di pochi grammi di materiale cosmico. Grazie ai moderni metodi di analisi, anche le quantità più piccole sono sufficienti per ricerche approfondite. Questo aiuta gli scienziati a capire meglio i processi avvenuti durante la formazione del nostro sistema solare. Inoltre, l'aminoacido glicina è stato rilevato anche in tali campioni. Ne consegue che questo blocco di proteine è arrivato sulla Terra con i meteoriti e probabilmente ha contribuito all'origine della vita sul nostro pianeta.

Prima che i campioni possano essere esaminati, devono ovviamente essere riportati sulla Terra. Per fare questo, nelle missioni senza equipaggio vengono utilizzate delle capsule di ritorno. Esse vengono rilasciate dalla sonda spaziale in un momento precisamente calcolato e inviate per la loro strada con una piccola spinta. L'attrazione gravitazionale della Terra alla fine le costringe ad atterrare in un'area precalcolata.

Come tutti gli oggetti che entrano nell'atmosfera terrestre dallo spazio, la capsula diventa estremamente calda a contatto con l'atmosfera. Per contrastare questa reazione, è efficacemente protetta dalla sua forma tondo-ovale e da uno scudo termico. Una fase particolarmente critica del rientro inizia poco tempo dopo che è già stata notevolmente rallentata dalla resistenza dell'aria e si muove a velocità "solo" subsonica.

Pericolo dovuto all'aerodinamica

Durante questa parte del suo volo, la capsula è già esposta all'aerodinamica terrestre. Ogni vortice d'aria influenza la sua traiettoria e il suo orientamento. Senza ali e flap, non c'è modo di stabilizzarsi dall'esterno. C'è il rischio che la capsula possa iniziare a girare. Questo è successo, per esempio, con la capsula di ritorno della missione Genesis della NASA nel 2004. Durante questa fase del volo, ha perso l'orientamento previsto e non ha potuto rilasciare il paracadute e si è schiantata senza controllo al suolo.

"Vogliamo prevenire questo scenario stabilizzando l'orientamento della capsula durante il suo volo attraverso l'atmosfera", spiega Aurélien Walpen dell'Università di Scienze Applicate della Svizzera occidentale (HES-SO), che ha campus a Ginevra e Friburgo. Lì è stato coinvolto nel progetto HADES come studente di master. "Uno dei nostri professori è molto attivo nel settore dei viaggi spaziali e ci ha messo di fronte al problema della capsula di ritorno. Abbiamo giocato con vari concetti, ma presto siamo tornati alla nostra idea iniziale: la stabilizzazione attraverso lo spostamento del centro di gravità" La capsula dovrebbe, in linea di principio, fare la stessa cosa di un surfista quando si aggrappa alla sua tavola mentre cavalca un'onda: compensa l'effetto del suo "terreno" dinamico utilizzando il suo peso corporeo per regolare costantemente il suo centro di gravità. "Tradotto nel linguaggio della meccanica, il movimento di compensazione avviene sugli assi x e y. Spostando un peso avanti e indietro su entrambi questi assi, è possibile compensare le forze destabilizzanti esterne."

Motori con doppia funzione

Ha avuto senso usare servomotori lineari a corrente continua all'interno della capsula per muovere i due pesi. Convenientemente, la massa del motore è sufficiente in questo caso per funzionare come contrappeso: L'effetto stabilizzante è ottenuto dai due motori che sfrecciano avanti e indietro lungo i loro assi. Non è necessario aggiungere ulteriore peso morto. Durante la ricerca di soluzioni affidabili con motori lineari per questo compito, gli esperti di ESA e HADES si sono rivolti alle soluzioni offerte da FAULHABER. Sono stati in grado di trovare un azionamento adatto nel portafoglio sulla base dei requisiti fisici per questo compito insolito. Questi sono notevoli. In primo luogo, devono essere relativamente robusti per resistere alle enormi forze durante il lancio del razzo e al rientro nell'atmosfera. Specialmente durante quest'ultimo, la capsula diventa molto calda - questo dopo essere stata esposta alle temperature estremamente basse dello spazio e al vuoto presente lì.

Tutto questo non deve impedire ai motori di svolgere i loro compiti in modo affidabile e veloce. Devono essere in grado di muoversi avanti e indietro lungo il loro asse di movimento fino a quattro volte al secondo. Per fare questo, hanno bisogno di una coppia molto elevata, poiché devono essere in grado di lavorare contro forze frenanti e centrifughe significative. Allo stesso tempo, lo spazio all'interno della capsula - come accade sempre nei viaggi nello spazio - è una merce molto scarsa. Il motore deve fornire le massime prestazioni con le più piccole dimensioni.

"Anche in questo caso abbiamo provato vari tipi, per poi tornare alla fine alla nostra prima scelta", spiega Aurélien Walpen. "I servomotori lineari a corrente continua LM 2070-12 di FAULHABER hanno ottenuto i valori migliori in tutti i punti importanti e si sono dimostrati l'azionamento più affidabile. Era anche importante che il controllo del motore potesse essere programmato molto facilmente e integrato nel sistema completo" L'intero sistema è stato testato in camere climatiche e a vuoto, nonché nella galleria del vento dell'università di Ginevra. Lì è stata simulata la reazione della capsula alla resistenza dell'aria durante il volo attraverso l'atmosfera. Durante i test, i motori lineari hanno stabilizzato in modo affidabile l'orientamento della capsula. La prova sul campo con ritorno effettivo dallo spazio che era prevista per marzo 2020 ha dovuto essere posticipata. Ora è previsto per la primavera del 2021. La capsula sarà lanciata da un razzo REXUS dal centro spaziale Esrange nella città nord svedese di Kiruna. Dopo aver accelerato a 20 G e raggiunto una velocità massima di 4.300 chilometri all'ora, viaggerà fino a un'altitudine di 100 chilometri sopra la superficie terrestre, da dove la capsula sarà lasciata cadere e grazie a FAULHABER tornerà in sicurezza.

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