In un piccolo, stanza quadrata murata da quattro piedi di cemento, l'aria odora come se fosse appena passata una tempesta di fulmini, frizzante e acre, come i prodotti per la pulizia. Al di fuori, questo è l'odore dei fulmini che squarciano l'ossigeno nell'aria, che si rimescola facilmente in ozono. Ma sottoterra, in una delle stanze del Radiation Effects Facility della NASA, l'odore di ozono persiste dopo i test di radiazioni ad alta energia. La radiazione che gli ingegneri usano per testare l'elettronica per il volo spaziale è così potente da distruggere l'ossigeno nella stanza.

Ogni parte di ogni strumento della NASA destinato al volo spaziale viene sottoposto a test sulle radiazioni per assicurarsi che possa sopravvivere nello spazio. Non è facile essere una navicella spaziale; invisibile, le particelle energetiche sfrecciano nello spazio e, sebbene ce ne siano così poche che lo spazio è considerato un vuoto, quello che c'è è un pugno. Minuscole particelle possono devastare l'elettronica che inviamo nello spazio.

Mentre la NASA esplora il sistema solare, il test delle radiazioni diventa sempre più cruciale. La struttura per gli effetti delle radiazioni, ospitato presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, aiuta a ispezionare l'hardware che consente l'esplorazione della Luna da parte della NASA, il Sole e il nostro sistema solare, dalle missioni che cercano di comprendere gli inizi dell'universo al viaggio del programma Artemis verso la Luna, molto più vicino a casa.

"Saremo in grado di garantire che gli esseri umani, elettronica, veicoli spaziali e strumenti, tutto ciò che stiamo effettivamente inviando nello spazio, sopravviveranno nell'ambiente in cui lo stiamo mettendo, " ha detto Megan Casey, un ingegnere aerospaziale nel gruppo di analisi e effetti delle radiazioni presso Goddard.

Le condizioni esatte che incontra un veicolo spaziale dipendono da dove è diretto, così gli ingegneri testano e selezionano attentamente le parti adatte alla destinazione di ogni veicolo spaziale. Il campo magnetico terrestre, Per esempio, intrappola sciami di particelle in due bande a forma di ciambella chiamate cinture di radiazione. Anche altri pianeti hanno cinture di radiazioni, come Giove, le cui cinture sono 10, 000 volte più forte di quello terrestre. In genere, più vicino al Sole, più forte è il lavaggio delle particelle solari noto come vento solare. E i raggi cosmici galattici, frammenti di particelle provenienti da stelle esplose molto al di fuori del sistema solare, possono essere incontrati ovunque.

Anche il tempismo è un fattore. Il Sole attraversa cicli naturali di 11 anni, oscillare da periodi di alta a bassa attività. Nella relativa calma del minimo solare, i raggi cosmici si infiltrano facilmente nel campo magnetico del Sole, in streaming nel sistema solare. D'altra parte, durante il massimo solare, frequenti brillamenti solari inondano lo spazio con particelle ad alta energia.

"In base a dove stanno andando, diciamo ai progettisti di missione come sarà il loro ambiente spaziale, e tornano da noi con i loro piani strumentali e chiedono, "Queste parti sopravviveranno lì?"" disse Casey. "La risposta è sempre sì, no, oppure non lo so. Se non lo sappiamo, questo è quando facciamo ulteriori test. Questa è la stragrande maggioranza del nostro lavoro".

Il centro di radiazioni di Goddard, insieme alle strutture partner in tutto il paese, è attrezzato per imitare la gamma di radiazioni spaziali, dalla costante irritazione del vento solare alle ardenti cinture di radiazioni e ai colpi brutali dei brillamenti solari e dei raggi cosmici.

Gli effetti delle radiazioni spaziali

Gli ingegneri utilizzano modelli computerizzati per determinare quale sarà la destinazione di un veicolo spaziale, la quantità di radiazioni che incontrerà lì e il tipo di test di cui hanno bisogno per rispecchiare quell'ambiente in laboratorio.

La radiazione è energia sotto forma di onde o minuscole, particelle subatomiche. Per le navicelle spaziali, la preoccupazione principale è la radiazione delle particelle. Questa radiazione, che include protoni ed elettroni, possono influenzare la loro elettronica in due modi.

Il primo tipo, noti come effetti a singolo evento, sono minacce immediate:rapide esplosioni di energia quando una particella solare o un raggio cosmico attraversa un circuito. "Le particelle altamente energetiche scaricano energia nella tua elettronica, " disse Clive Dyer, un ingegnere elettrico presso il Centro Spaziale dell'Università del Surrey in Inghilterra. "Gli effetti di un singolo evento rovineranno i tuoi computer, codificando i tuoi dati, in codice binario, da 1 a 0."

Molti veicoli spaziali sono attrezzati per riprendersi da queste schermaglie con le particelle. Ma alcuni attacchi possono sconvolgere i programmi su cui girano le navicelle spaziali, che influiscono sui sistemi di comunicazione o di navigazione e provocano arresti anomali del computer. Al peggio, il risultato può essere catastrofico. Anni fa, i laptop degli astronauti sulla navetta spaziale si sono schiantati mentre passavano attraverso parti particolarmente pelose delle cinture di radiazioni, e il telescopio spaziale Hubble della NASA spegne preventivamente i suoi strumenti scientifici quando attraversa la regione.

Poi, ci sono effetti che peggiorano con il tempo. Le particelle cariche possono accumularsi sulla superficie di un veicolo spaziale e accumulare una carica in poche ore. Proprio come attraversare una stanza con la moquette e girare la maniglia di una porta di metallo, la carica innesca l'elettricità statica che può danneggiare l'elettronica, sensori e pannelli solari. Nell'aprile 2010, la ricarica ha disabilitato i sistemi di comunicazione del satellite Galaxy 15, mandandolo alla deriva per otto mesi.

I veicoli spaziali devono resistere alle radiazioni per tutta la loro vita. Le radiazioni a lungo termine, note come dose totale, consumano il materiale, riducendo gradualmente le prestazioni dello strumento quanto più a lungo rimangono in orbita. Anche le radiazioni relativamente lievi possono degradare i pannelli solari e i circuiti.

Nascosto in una stanza adiacente a distanza di sicurezza dalle radiazioni, ingegneri presso l'impianto di prova componenti di strumenti a pelle con un miscuglio di particelle energetiche, cercando segni di debolezza.

In genere, gli effetti dei loro test non sono visibili. Un salto di temperatura o corrente elettrica potrebbe indicare che una singola particella ha colpito un circuito. D'altra parte, durante i test della dose totale, gli ingegneri guardano lentamente, graziosa degradazione, un effetto collaterale dei viaggi spaziali con cui la maggior parte delle missioni può convivere dato che hanno abbastanza tempo per completare i loro obiettivi scientifici.

"Il caso peggiore è un effetto distruttivo di un singolo evento, quando vedi un guasto catastrofico perché uno strumento è andato in cortocircuito, " disse Casey. "Sono cattive notizie per la missione, ma quelli sono i più divertenti per noi da testare. A volte c'è così tanta energia, vedi effettivamente succedere qualcosa, in alcuni casi luce o un segno di bruciatura."

Superare la tempesta di radiazioni

Così, in che modo gli ingegneri proteggono i veicoli spaziali dai rischi costanti delle radiazioni spaziali? Una tattica è quella di costruire parti indurite contro le radiazioni fin dalle fondamenta. Gli ingegneri possono selezionare determinati materiali che sono meno suscettibili agli urti o alla carica di particelle.

I progettisti di veicoli spaziali si affidano alla schermatura per difendere i loro strumenti dagli effetti a lungo termine. L'alluminio stratificato o il titanio rallentano le particelle energetiche, impedendo loro di raggiungere l'elettronica sensibile. "Proprio adesso, supponiamo che tutte le missioni avranno uno spessore di schermatura (quanto sono spesse le pareti della navicella spaziale o dello strumento) di circa un decimo di pollice, " ha detto Casey.

Dopo le loro prove, gli ingegneri formulano raccomandazioni specifiche per la schermatura se l'ambiente lo richiede. La schermatura aggiunge volume e peso, che aumenta il fabbisogno o i costi di carburante, quindi gli ingegneri preferiscono sempre utilizzare la minor quantità possibile. "Se possiamo migliorare i nostri modelli e perfezionare più strettamente l'aspetto dell'ambiente delle radiazioni, possiamo forse assottigliare quei muri, " lei disse.

La raccolta di osservazioni da una vasta gamma di ambienti spaziali è un passo fondamentale per migliorare i modelli. "Il perfezionamento dei nostri modelli di radiazioni spaziali ci aiuta in definitiva a fare una migliore selezione dei dispositivi, " ha detto Michael Xapsos, un membro del Project Scientist Team per la missione Space Environment Testbeds della NASA, dedicato allo studio degli effetti delle radiazioni sull'hardware. "Con più dati, gli ingegneri possono fare scambi migliori tra rischio, costo, e le prestazioni nei dispositivi elettronici che scelgono."

Le particelle più energetiche sono impossibili da evitare, anche con schermatura pesante. Dopo aver testato gli effetti del singolo evento, gli ingegneri calcolano una previsione per quanto spesso potrebbe verificarsi un tale colpo. Può essere, Per esempio, che una navicella spaziale ha la possibilità di colpire una particella una volta ogni 1, 000 giorni. Questi sono eventi isolati che hanno la stessa probabilità di verificarsi il primo giorno di un satellite nello spazio come il suo 1, 000esimo giorno e sta ai progettisti della missione decidere quanti rischi possono sopportare.

Una strategia comune contro gli effetti del singolo evento è dotare uno strumento di multipli della stessa parte che lavorano insieme simultaneamente. Se un chip del computer viene temporaneamente disabilitato da un colpo di particella, le sue controparti possono recuperare il gioco.

Gli ingegneri possono pianificare e sviluppare tali strategie di mitigazione, ma è meglio farlo quando capiscono veramente l'ambiente spaziale attraverso il quale un satellite sta viaggiando. Missioni come i banchi di prova dell'ambiente spaziale, o SET, il cui lancio è previsto per la fine di giugno, e gli sforzi di modellazione presso la Radiation Effects Facility assicurano che ottengano tali informazioni.