I razzi dell'Agenzia spaziale europea (ESA) volano nello spazio con il supporto del Paul Scherrer Institute (PSI). L'imaging effettuato al PSI in collaborazione con Dassault Aviation garantisce la qualità di alcuni componenti dei veicoli di lancio Ariane 5 e Vega. Con l'aiuto dei neutroni generati alla sorgente di neutroni SINQ, I ricercatori del PSI stanno esaminando i cosiddetti componenti pirotecnici installati nei razzi dell'ESA. Questi componenti, che agiscono come fusibili e accenditori, garantire, tra l'altro, che i razzi booster vengano lanciati al centesimo di secondo giusto. Il lancio di Ariane il 20 giugno è avvenuto con componenti che erano stati esaminati al PSI.

La sorgente di neutroni del Paul Scherrer Institute PSI aiuta a indagare su alcuni componenti prima che vengano installati nei razzi di lancio Ariane 5 e Vega. Questi lanciatori spaziali, sviluppato dall'Agenzia Spaziale Europea ESA, trasportare in orbita satelliti e altri veicoli spaziali senza equipaggio. Gli elementi studiati al PSI sono i cosiddetti componenti pirotecnici, che svolgono un ruolo decisivo durante il volo del razzo:sono pieni di esplosivo; alcuni di loro si comportano come un cavo di fusibile, mentre altri innescano una serie di effetti desiderati. I componenti che hanno assicurato il successo del lancio del razzo Ariane 5 il 20 giugno erano stati esaminati al PSI mesi prima.

I neutroni servono a garantire la qualità

I componenti pirotecnici utilizzati per i razzi Ariane 5 e Vega sono costituiti da un involucro metallico riempito con un composto esplosivo. "Le linee di segnale pirotecnico agiscono in un effetto domino, " spiega Christian Grünzweig, fisico nel gruppo di ricerca per l'imaging di neutroni e i materiali applicati al PSI. Una volta attivato, o in questo caso acceso, il segnale continua a funzionare e innesca specifiche detonazioni lungo la linea. "E, come con il domino, dopo di che, è finita:i componenti pirotecnici possono essere bruciati solo una volta. Un test eseguito in anticipo per vedere se funzioneranno in modo affidabile è impossibile".

Le immagini a raggi X non sono adatte per ispezionarle, poiché i raggi X penetrano a malapena nel metallo. "Le buone notizie, "dice Grunzweig, "è lì che i raggi X falliscono, la nostra rappresentazione con neutroni può spesso aiutare." I neutroni, i mattoni di base degli atomi privi di carica, penetrano quasi senza ostacoli nella maggior parte dei metalli, compreso il piombo. "L'esplosivo, d'altra parte, contiene atomi di idrogeno che attenuano notevolmente il fascio di neutroni e quindi lo fanno apparire come un contrasto oscuro, " Grünzweig continua. "In breve:gli esplosivi dietro il metallo possono essere resi visibili solo con i neutroni".

Le immagini di neutroni vengono successivamente valutate dai dipendenti della società aerospaziale Dassault Aviation. In questo modo viene verificato se gli esplosivi sono stati introdotti nei componenti come previsto e privi di difetti. Questo è fondamentale, perché un difetto nella distribuzione degli esplosivi interromperebbe l'effetto domino durante la combustione, i componenti sarebbero quindi inutilizzabili. L'ultimo lancio di un razzo è stato il primo dopo la firma di un accordo di cooperazione ufficiale tra PSI e Dassault Aviation nell'aprile di quest'anno.

Fino a quando il satellite non viene posizionato

Sebbene a prima vista la sequenza dei componenti pirotecnici assomigli a un cavo di miccia, il loro compito nei viaggi nello spazio è molto più complesso. Mentre le corde detonanti assicurano una trasmissione semplice del segnale, ci sono una moltitudine di altri componenti pirotecnici. Alcuni moltiplicano il segnale in modo che una corda esplosiva in entrata possa essere seguita da un massimo di nove corde in uscita e quindi segnali. In altri punti, corde detonanti percorrono anelli per portare il segnale in una determinata posizione con un ritardo appropriato. Lì innescano piccole detonazioni dopo di che, Per esempio, le lame tagliano i rispettivi supporti. In questo modo i due booster, eseguire insieme la prima fase di accelerazione, vengono eliminati con una sincronizzazione accurata. Nell'ulteriore corso del volo del razzo, il rivestimento protettivo del carico utile viene distaccato in modo analogo. Finalmente, il carico utile, cioè., il satellite o altri veicoli spaziali, viene staccato dal lanciatore da ulteriori esplosioni.

"Diversi processi cruciali come questi sono avviati interamente dagli elementi pirotecnici, la cui prima accensione avviene già con il decollo del razzo, " spiega David Mannes, anche ricercatore nel gruppo Neutron Imaging and Applied Materials al PSI.

Gli usi versatili dell'imaging a neutroni

L'imaging dei neutroni viene eseguito solo in pochi altri istituti di ricerca in tutto il mondo, e in Svizzera è possibile unicamente al PSI. Il metodo di imaging è stato stabilito qui per molti anni ed è accessibile agli utenti dell'industria. Il metodo fornisce una visione non distruttiva dell'interno di materiali e componenti, che consente di rispondere a una serie di domande scientifiche o di affrontare problemi della tecnologia e dell'industria. Per esempio, le immagini di neutroni di un busto in oro dell'imperatore romano Marco Aurelio del II secolo d.C. hanno portato nuove intuizioni sui processi utilizzati per fabbricarlo. Le immagini scattate da Grünzweig e Mannes hanno aiutato l'industria farmaceutica a comprendere i processi coinvolti nella conservazione delle siringhe preriempite. E lo stabilimento ABB Wettingen nel Canton Argovia ha ricevuto raccomandazioni per aumentare la produzione dei suoi componenti industriali in ceramica grazie alle immagini di neutroni PSI.