Una missione, due orbiter
La missione BepiColombo è a conduzione europea, ma è comunque frutto di una collaborazione ancora più ampia. Ad affiancare l’Agenzia spaziale europea (ESA), a cui un fondamentale contributo è arrivato da quella italiana (ASI) – che, come vedremo più sotto, ha lavorato alla progettazione e alla realizzazione di molta strumentazione a bordo della sonda – c’è infatti la Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), ovvero l’agenzia spaziale giapponese.
La curiosità di questa missione è che a viaggiare verso Mercurio non è una singola sonda, ma due orbiter con scopi scientifici, trasportati da un terzo componente che svolge la funzione di modulo di trasporto.
In dettaglio, il Mercury Planetary Orbiter (MPO) a guida europea, sarà principalmente dedicato allo studio delle caratteristiche fisiche della superficie del pianeta – compresa l’esosfera, il sottile strato di atomi e plasma che lo avvolge, senza poter essere definito una vera e propria atmosfera – e alla misura del campo gravitazionale, mentre il Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO), a guida giapponese, seppure con contributi scientifici e tecnologici europei, sarà dedicato alla caratterizzazione dell’ambiente intorno a Mercurio e, naturalmente, allo studio del debole, ma interessante campo magnetico planetario.
I due orbiter viaggeranno insieme in una lunga fase di crociera (circa sette anni di durata), spinti da un modulo a propulsione elettrica solare, il Mercury Transfer Module (MTM). Questo elemento, anch’esso progettato e costruito in Europa, è alimentato da pannelli solari ed è privo di carico scientifico, e servirà esclusivamente durante la fase di viaggio e per l’inserimento in orbita.
Tecnicamente, durante il viaggio verso Mercurio, MPO e MMO saranno “impacchettati” nel Mercury Composite Spacecraft (MCS), che, oltre all’MTM, include anche uno scudo solare, che verrà sganciato al momento del rilascio dei due orbiter.
In questi anni di crociera interplanetaria, la missione BepiColombo compirà un flyby con la Terra, due con Venere e sei con Mercurio, prima che MPO e MMO si separino ed entrino entrambi in orbita attorno al pianeta, su orbite distinte (MPO in orbita bassa, MMO in orbita polare), per operare autonomamente. Per entrambi gli orbiter, che arriveranno a Mercurio nel 2025, è prevista un’operatività di un anno terrestre (corrispondente a quattro anni di Mercurio) in orbita attorno al pianeta, con l’opzione di un ulteriore anno terrestre di estensione.
MPO trasporta un carico utile di 11 strumenti, comprendente telecamere, spettrometri (IR, UV, raggi X, raggi γ, neutroni), radiometro, altimetro laser, magnetometro, analizzatori di particelle, accelerometro e transponder in banda Ka (una porzione particolare delle frequenze a microonde dello spettro elettromagnetico). Dieci di questi strumenti sono frutto di finanziamenti provenienti dagli stati membri dell’ESA, mentre uno è finanziato dalla Russia.
Per quanto riguarda invece la parte della missione a guida giapponese, MMO avrà a bordo strumenti per cinque esperimenti scientifici avanzati, tra cui un magnetometro, uno spettrometro ionico, un analizzatore di energia a elettroni, rilevatori di plasma freddo ed energetico, analizzatore di onde al plasma e imager. L’ESA ha contribuito comunque allo sviluppo di parte della strumentazione giapponese, oltre a finanziare interamente uno degli strumenti a bordo di MMO.
Il contributo italiano
Ma torniamo al contributo dell’ASI e della comunità scientifica – con il forte coinvolgimento dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) – e industriale italiana, con Thales Alenia Space – joint venture tra la francese Thales (67%) e l’italiana Leonardo (33%) – alla guida di numerose aziende europee.
Degli 11 esperimenti a bordo di MPO, quattro sono infatti a firma e guida italiana e, appunto, sotto la responsabilità dell’ASI. Il primo è denominato SIMBIO-SYS, che sta per Spectrometers and Imagers for MPO BepiColombo Integrated Observatory, ed è un sistema integrato di osservazione della superficie e caratterizzazione del pianeta Mercurio composto da tre canali per osservazioni stereoscopiche (STC), ad alta risoluzione spaziale (HRIC) e iperspettrali (VIHI) nel visibile e vicino infrarosso. Sviluppato da Leonardo Company (che ha fornito anche i sensori d’assetto che guideranno la sonda durante il suo viaggio fino a Mercurio) e realizzato da ASI, SIMBIO-SYS sarà fondamentale per lo studio geologico e geochimico del pianeta.
A seguire c’è ISA, cioè Italian Spring Accelerometer, ovvero l’accelerometro ad alta sensibilità sviluppato dall’INAF e da Thales Alenia Space, che si occuperà delle misure gravitazionali. Il terzo strumento italiano è SERENA (Search for Exosphere Refilling and Emitted Neutral Abundances) destinato allo studio dell’ambiente particellare di Mercurio, vale a dire l’esosfera, mediante due analizzatori di particelle neutre e due spettrometri di ioni. Infine il quarto, MORE, ovvero Mercury Orbiter Radio science Experiment, è l’esperimento di radioscienza basato sul trasponditore di bordo in banda Ka (KaT), realizzato ancora da Thales Alenia Space.
La suite SIMBIO-SYS
Curiosamente, pur con tutti questi strumenti a “puntare” Mercurio, a fornire circa il 50 per cento dell’intero archivio di dati scientifici raccolto durante la missione BepiColombo sarà un solo esperimento: la suite SIMBIO-SYS. “Le specifiche di progetto richiedevano per SIMBIO-SYS prestazioni allo stato dell’arte con consumo di potenza, dimensioni e massa estremamente limitati”, spiega a “Le Scienze “Iacopo Ficai Veltroni, Project Manager di Leonardo Company per lo strumento, “è stato così necessario cercare e trovare soluzioni progettuali e costruttive che permettessero di ottenere uno strumento molto compatto e leggero (circa 14,5 Kg).”
Un’altra sfida era l’ambiente intorno a Mercurio, con temperature all’esterno della sonda che superano i 300 °C e un flusso di particelle ionizzanti e non ionizzanti provenienti dal Sole circa 10 volte più intense rispetto a un satellite geostazionario. “La scelta dei componenti e dei materiali è stata molto importante”, prosegue Ficai Veltroni, “ma anche la progettazione di soluzioni architetturali come la separazione fisica degli elementi esterni dalle unità interne per evitare la propagazione del calore verso le ottiche o la protezione termo-ottica della camera ad alta risoluzione, sicuramente il più critico dei tre canali dal punto di vista termico, che ha la caratteristica di riflettere all’esterno i raggi incidenti anziché assorbirli”.
Ma non saranno solo le immagini a raccontarci la scienza del pianeta. “Una parte importante della missione sarà il cosiddetto esperimento di radioscienza (Radio Science Experiments – RSE)”, racconta a “Le Scienze” Roberto Peron, ricercatore all’Istituto di Astrofisica e Planetologia Spaziali (IAPS-INAF) e Co-Investigator dell’accelerometro ISA per BepiColombo, “che utilizzerà una navigazione estremamente precisa della sonda – con l’aiuto dell’Italian Spring Accelerometer (ISA), l’accelerometro ad alta sensibilità – per determinare il campo gravitazionale del pianeta”.
Fra gli obiettivi scientifici della missione c’è infatti anche quello di studiare la struttura e la composizione interna del pianeta, utili per caratterizzare la formazione e la successiva evoluzione del pianeta.
Le misure dell’accelerometro ISA permetteranno di porre vincoli ai nostri modelli del pianeta, ma non solo. “Allo stesso tempo, infatti”, continua Peron, “verrà effettuata una misura ultra-precisa di importanti predizioni della teoria della relatività generale di Albert Einstein, fra le quali la precessione del perielio dell’orbita di Mercurio, uno dei primi fenomeni spiegati dalla relatività generale, grazie al quale si era incominciato a capire che la teoria einsteiniana era sulla giusta strada”.
La soddisfazione dei protagonisti
Intanto, nell’attesa del momento cruciale del lancio, dalle realtà italiane coinvolte nella missione arrivano messaggi di grande soddisfazione. “BepiColombo – sottolinea Roberto Battiston, presidente dell’Agenzia Spaziale Italiana – è una missione tra le più affascinanti perché ci porta ad esplorare Mercurio, un pianeta estremo di cui conosciamo ancora poco, difficile da raggiungere, ma importantissimo dal punto di vista della planetologia per capire l’origine e l’evoluzione del nostro sistema solare. Il contributo italiano ai vari strumenti è dei più importanti nel solco di quell’eccellente tradizione scientifica che caratterizza la planetologia italiana.”
Anche Nichi D’Amico, presidente dell’INAF, commenta con soddisfazione: “È l’inizio di una nuova grande avventura per l’INAF, che vede coinvolti numerosi ricercatori del nostro istituto e dimostra che l’Italia è al centro dell’astrofisica mondiale, anche nelle missioni spaziali.”
Infine, Walter Cugno, responsabile del settore Esplorazione e Scienza di Thales Alenia Space, commenta: “Siamo orgogliosi di fornire il nostro contributo a questa missione alla scoperta di Mercurio. Il Programma BepiColombo, complesso e caratterizzato da sfide tecnologiche necessarie ad affrontare l’ostile ambiente di Mercurio, dimostra ancora una volta l’abilità di Thales Alenia Space ad affrontare le grandi sfide per la comprensione l’universo”.
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