L'ESA sta progettando il primo osservatorio meteorologico spaziale dedicato della Terra per avvertire di turbolenze potenzialmente dannose nella nostra stella madre. Come un arbitro a una partita di sport, la navicella spaziale Lagrange sarà in grado di osservare sia il sole che la Terra, nonché lo spazio in mezzo, ma sarà essa stessa nella linea di fuoco del tempo meteorologico spaziale.

"Sarà una missione operativa piuttosto che scientifica, il che significa che deve continuare a funzionare perché le persone dipenderanno da esso, " spiega Piers Jiggens, specialista dell'ambiente spaziale dell'ESA.

"Sulla Terra non sarebbe accettabile avere un'infrastruttura di previsioni del tempo che smette di funzionare quando sta arrivando un uragano, perché la copertura andrebbe persa nel momento in cui un evento meteorologico estremo ha un impatto maggiore sulle nostre vite.

"Nello spazio sarà lo stesso, quindi noi della sezione Space Environment and Effects dell'ESA abbiamo lavorato a stretto contatto con lo Space Weather Office dell'Agenzia, sovrintendere alla missione di Lagrange, per molti anni. Il nostro obiettivo è un design ottimizzato che resista alle tempeste di radiazioni associate agli eventi meteorologici spaziali in modo efficiente ma efficace".

Il sole fa spazio al tempo

Allo stesso modo il calore del sole guida il tempo sulla Terra, l'attività solare è responsabile dei disturbi nel nostro ambiente spaziale, chiamato "tempo spaziale". Oltre a emettere un flusso continuo di particelle cariche, noto come il vento solare, il sole a volte produce eruzioni chiamate "espulsioni di massa coronale" (CME) - espellendo miliardi di tonnellate di materiale legato a campi magnetici, spesso in volumi più grandi della Terra stessa.

Se queste nuvole di particelle raggiungono il nostro pianeta natale, possono disturbare il campo magnetico terrestre e l'atmosfera superiore, perturbare i satelliti in orbita, e infrastrutture elettriche e di comunicazione, potenzialmente causando danni per miliardi di euro.

L'osservatore solare del cavallo di battaglia di oggi, la navicella spaziale ESA-NASA SOHO si trova a 1,5 milioni di km di distanza nel punto di Lagrange L1, in linea retta tra la terra e il sole, così vede frontalmente i CME in arrivo.

Vista laterale

Al contrario, la missione di Lagrange sarà posta molto più lontano dalla Terra, cento volte più lontano di SOHO a 150 milioni di km di distanza, nel terzo punto di un triangolo equilatero formato con la Terra e il sole.

Lagrange prende il titolo dalle posizioni gravitazionalmente stabili nel sistema Sole-Terra, uno dei quali orbiterà attorno al quinto punto di Lagrange Terra-Sole (L5). Questi sono stati chiamati collettivamente dopo il matematico italiano che per primo ha teorizzato l'esistenza di questi punti stabili nello spazio.

Seduto in questo punto equidistante dalla Terra e dal sole, Lagrange sarà in grado di identificare i segmenti tempestosi della superficie del sole prima che ruotino per affrontare la Terra, e quindi traccia le nuvole CME mentre si dirigono verso di noi.

"Solo perché la navicella non è allineata con la Terra e il sole non significa che non sarà influenzata dagli eventi meteorologici spaziali che monitorerà, " aggiunge Piers. "Questo perché il campo magnetico solare, che seguono particelle ad alta energia, è curvo a causa della rotazione del sole, un fenomeno noto come "spirale di Parker".

"Ciò significa che le particelle cariche più velocemente di un evento CME raggiungeranno Lagrange in pochi minuti dopo un'eruzione, potenzialmente causando effetti negativi al veicolo spaziale proprio nel punto in cui è più necessario per risolvere la direzione e la velocità del materiale diretto verso la Terra, lavorando su una scala temporale di ore.

"Spesso puoi vedere alcuni di questi effetti sulle immagini SOHO delle CME:quelle che sembrano neve sono in realtà particelle cariche che attivano i rilevatori di immagini. Inoltre, le radiazioni possono causare "bit flip" della memoria integrata."

Proteggere la navicella spaziale

Come è già di serie, il veicolo spaziale stesso sarà costruito con componenti elettronici resistenti alle radiazioni accuratamente schermati. I suoi sistemi di bordo saranno dotati di sistemi di "rilevamento e correzione dei guasti" per identificare e correggere i capovolgimenti dei bit o altre anomalie. Per la missione Lagrange, L'ESA ei suoi partner industriali stanno studiando come rendere questi sistemi ancora più robusti.

"Per la missione L5, la navicella deve essere più intelligente delle altre, e sarà necessario disporre di un rilevamento intelligente dei guasti, isolamento e strategia di recupero, " nota Stefan Kraft, sovrintendere alla missione.

"Quando altre missioni si nascondono e vanno in modalità di sospensione, dovremo affrontare la tempesta e restare svegli per restare sempre in servizio".

Dal punto di vista dell'imaging, le particelle compromettono la visione della strumentazione altamente sensibile della missione. I sistemi di bordo automatizzati applicheranno l'intelligenza artificiale per identificare e rimuovere i falsi pixel fotogramma per fotogramma.

La riduzione del tempo di esposizione dell'immagine è un'altra soluzione studiata per ridurre il numero di "colpi" di radiazioni. Inoltre, è possibile aggiungere una schermatura extra in alluminio attorno ai rilevatori, per evitare che particelle cariche le colpiscano lateralmente.

Come spiega Juha-Pekka Luntama dello Space Weather Office dell'ESA:"Le misurazioni di Lagrange devono essere chiare in tempo reale in modo che possano essere inserite in modelli meteorologici spaziali e consentire ai meteorologi di prevedere possibili impatti".

La missione Lagrange è attualmente in fase di sviluppo attraverso studi industriali paralleli, da presentare ai ministri dello spazio europei a Space19+ alla fine di quest'anno. Se approvato, lancerà entro il 2025.

La National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) degli Stati Uniti sta pianificando un osservatorio solare a L1 con un lancio previsto nel 2024. Questa missione fornirebbe dati a complemento delle osservazioni di L5. Le due missioni insieme formerebbero un sistema di osservazione combinato, offrendo visioni stereoscopiche degli eventi meteorologici spaziali nel momento in cui si verificano.