Due duri, i resilienti veicoli spaziali della NASA hanno orbitato intorno alla Terra negli ultimi sei anni e mezzo, volare ripetutamente attraverso una zona pericolosa di particelle cariche nota come cinture di radiazioni di Van Allen. Le sonde gemelle Van Allen hanno confermato teorie scientifiche e rivelato nuove strutture, composizioni, e processi in atto in queste regioni dinamiche.

A febbraio, il team operativo della missione Van Allen Probes presso il Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, dove le sonde sono state progettate e costruite, ha iniziato una serie di manovre di discesa dell'orbita che posizioneranno i satelliti per un eventuale rientro nell'atmosfera terrestre in circa 15 anni.

"Alla nuova altitudine, la resistenza aerodinamica farà cadere i satelliti e alla fine li brucerà nell'atmosfera superiore, " disse Nelli Mosavi, project manager per le sonde Van Allen presso APL. "La nostra missione è ottenere grandi dati scientifici e anche assicurarci di prevenire più detriti spaziali in modo che anche le prossime generazioni abbiano l'opportunità di esplorare lo spazio".

Originariamente designato come una missione di due anni perché nessuno credeva che un veicolo spaziale potesse sopravvivere più a lungo nelle dure cinture di radiazioni che circondano la Terra, questi robusti veicoli spaziali hanno operato senza incidenti dal 2012 e continuano a consentire scoperte rivoluzionarie sulle cinture di Van Allen.

"Il veicolo spaziale e gli strumenti ci hanno fornito una visione incredibile delle operazioni dei veicoli spaziali in un ambiente ad alta radiazione, "Mosavi ha detto. "Tutti in missione provano un vero senso di orgoglio e di realizzazione nel lavoro che abbiamo svolto e nella scienza che abbiamo fornito al mondo, anche quando iniziamo le manovre di de-orbita".

Un ambiente duro

Le cinture di radiazioni della Terra sono costituite da particelle energizzate, protoni ed elettroni, intrappolate in un'orbita eterna attorno al pianeta.

"Sappiamo che altri pianeti nel nostro sistema solare con campi magnetici hanno cinture di radiazioni, " ha detto Sasha Ukhorskiy, uno scienziato di progetto presso APL. "Possiamo supporre che lo facciano anche altri corpi in tutto l'universo. Studiando le cinture e la fisica ad esse associata qui sulla Terra, e usando il nostro mondo come un laboratorio naturale, possiamo imparare come funzionano queste strutture attorno ad altri oggetti nell'universo con campi magnetici".

Il campo magnetico che circonda la Terra crea una bolla nota come magnetosfera, che protegge il pianeta dalle esplosioni di plasma emesse dal sole. Ma serve anche a catturare le particelle e alla fine può depositare queste popolazioni di particelle ad alta energia in cinture di radiazioni attorno alla Terra.

In questo ambiente vicino alla Terra si verifica una complessa catena di processi, agendo come un gigantesco acceleratore di particelle e accelerando alcune particelle fino a quasi la velocità della luce, più di 670 milioni di miglia all'ora. Queste particelle altamente energizzate nelle cinture di radiazione possono rappresentare una serie di pericoli per le operazioni spaziali, in quanto possono danneggiare l'elettronica sensibile.

Durante le tempeste solari, le condizioni peggiorano, e le cinture possono gonfiarsi di dimensioni, minaccioso veicolo spaziale nelle vicinanze.

"Il nostro campo magnetico fa un ottimo lavoro nel proteggerci da queste esplosioni solari, " ha detto David Sibeck, uno scienziato di missione presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. "Ma parte della loro energia penetra in profondità nel campo terrestre e, attraverso una serie di meccanismi, alimenta le cinture di radiazioni. Quando ciò accade, la navicella spaziale nelle cinture farebbe meglio a guardare fuori:i guai si prospettano sotto forma di cortocircuiti, memoria del computer danneggiata, e guasto dello strumento."

Le sonde Van Allen sono state progettate e costruite per resistere a questo ambiente estremo e persino i loro costruttori sono rimasti sorpresi dalla loro capacità di resistere a condizioni così difficili.

"Negli ultimi sei anni e mezzo, le sonde Van Allen hanno completato tre circuiti completi intorno alla magnetosfera, e ha misurato più di 100 tempeste geomagnetiche, " ha detto Ukhorskiy. "Le sonde di Van Allen hanno verificato e quantificato le teorie suggerite in precedenza, scoperto nuovi meccanismi che possono scolpire popolazioni di particelle energetiche vicine alla Terra, e ha utilizzato strumenti unici per svelare caratteristiche inaspettate che erano quasi invisibili ai sensori precedenti."

Le informazioni su particelle e onde fornite dalle sonde Van Allen si sono rivelate un tesoro per la ricerca sulla fisica spaziale. I risultati e le osservazioni includono strutture di cintura multiple, inclusa una terza cintura osservata poco dopo il lancio; risposte definitive sui processi di accelerazione delle particelle; e la scoperta di una regione barriera quasi impenetrabile che impedisce agli elettroni più veloci ed energetici di raggiungere la Terra.

"I dati delle sonde Van Allen hanno portato a più di 560 articoli pubblicati su riviste scientifiche sottoposte a revisione paritaria dal lancio della missione, " Ukhorskiy ha detto. "La maggior parte di questi articoli sono guidati da autori non direttamente affiliati alle squadre scientifiche della missione. E il tasso di pubblicazione è cresciuto costantemente dal lancio della missione; ogni quattro giorni, viene pubblicato un nuovo articolo su una rivista internazionale peer-reviewed."

Costruito per sopravvivere

Dal loro lancio dalla stazione aeronautica di Cape Canaveral, Florida, il 30 agosto, 2012, le sonde gemelle Van Allen hanno fornito agli scienziati uno sguardo senza precedenti sul trucco e sui processi all'interno delle cinture. Le sonde, note come veicoli spaziali A e B, sono stati i primi veicoli spaziali progettati per trascorrere anni operando all'interno e studiando le fasce di radiazione, una regione che la maggior parte delle missioni spaziali evita a causa dei rischi di danni all'ambiente.

"Progettare il veicolo spaziale e gli strumenti per resistere a un ambiente con radiazioni molto dure è stata la sfida più difficile per Van Allen Probes durante la progettazione e lo sviluppo, " ha detto Rick Fitzgerald, che ha servito come project manager della missione presso l'APL dal 2007 al 2012. "Le radiazioni possono causare danni all'elettronica, portando a comportamenti irregolari o a un completo fallimento. Abbiamo ridotto il rischio di fallimento attraverso un rigoroso processo di revisione del design, accurata selezione delle parti elettroniche, e test approfonditi su parti e materiali."

Per proteggere l'elettronica sensibile dei veicoli spaziali, il team ha aggiunto scudi attorno agli strumenti per prevenire l'accumulo di cariche elettriche. "Tutti i circuiti integrati sono stati progettati per sopravvivere nelle cinture, e la navicella ha un sistema di gestione dei guasti e di autonomia, che mitiga gli effetti dell'ambiente ripristinando l'elettronica in risposta agli effetti del singolo evento, " ha detto Kristin Fretz di APL, ingegnere di sistema di missione dal 2013 al 2018.

Il design è stato all'altezza della sfida.

"Abbiamo avuto pochissimi errori momentanei o 'disturbi' della nostra elettronica in orbita, e nessun guasto della scatola elettronica fino ad oggi, " Fitzgerald ha detto. "Questa è la vera conferma di tutto il duro lavoro svolto nel programma di progettazione e test prima del lancio".

La longevità e la resilienza del veicolo spaziale e degli strumenti significano che non solo stanno ancora fornendo elevati volumi di dati sulla Terra, stanno anche insegnando agli ingegneri di veicoli spaziali le operazioni nelle cinture.

"Le sonde Van Allen sono essenzialmente diventate una struttura di test dal vivo per capire come l'elettronica e i materiali possono sopravvivere alle radiazioni dure, " Fitzgerald ha detto. "I sei anni e mezzo in orbita forniscono nuovi dati da utilizzare nei modelli che determinano come produrre, come selezionare, e come prevedere le prestazioni di parti e materiali in orbita."

Manovre finali

La navicella continua a funzionare in modo ottimale, e le scorte di propellente sono abbondanti. Però, I regolamenti della NASA richiedono la disorbita controllata e la rimozione dall'orbita di tutti i veicoli spaziali dopo un periodo di 25 anni dalla fine della missione. Per soddisfare questo requisito, il team di Van Allen Probes nel 2017 ha iniziato a pianificare come abbassare il veicolo spaziale in orbite che alla fine sarebbero decadute e avrebbero portato al rientro attraverso l'atmosfera, disintegrandoli in sicurezza.

"Se non facessimo queste manovre, le sonde Van Allen continuerebbero a orbitare per centinaia o migliaia di anni, presentare un potenziale problema per le future attività satellitari, " ha detto Justin Atchison di APL, Progettista della missione di Van Allen Probes.

Per abbassare la navicella, il team operativo della missione deve eseguire le manovre in un punto molto specifico dell'orbita e in un determinato periodo dell'anno, e deve eseguire l'operazione in più fasi, piuttosto che una lunga bruciatura del motore.

"Dobbiamo manovrare quando i satelliti sono nel loro punto orbitale più alto lontano dalla Terra, o ciò che è noto come apogeo, " Disse Atchison. "Idealmente, faremmo tutto il cambio di orbita in una singola manovra in un solo giorno. Però, siamo limitati dalla capacità dei propulsori, che in genere vengono utilizzati solo per manovre molto piccole per regolare leggermente l'orbita o il puntamento. Quindi dobbiamo dividere la manovra in segmenti più piccoli per raggiungere l'obiettivo".

La squadra ha provato e praticato la campagna di abbassamento dell'orbita ed è pronta per iniziare questa nuova fase della vita della missione.

"La missione Van Allen Probes ha svolto un lavoro straordinario nel caratterizzare le fasce di radiazioni e nel fornirci le informazioni complete necessarie per dedurre cosa sta succedendo in esse, " Ha detto Sibeck. "Più di sei anni di eccitazione ininterrotta e scoperte che ci forniscono le informazioni necessarie per garantire che i veicoli spaziali possano sopravvivere in alcuni degli ambienti più difficili conosciuti dall'umanità. Infatti, la sopravvivenza stessa di questi veicoli spaziali e di tutti i loro strumenti, praticamente illeso, dopo tutti questi anni è un traguardo e una lezione appresa su come progettare veicoli spaziali".