La missione EnVision dell'ESA su Venere eseguirà la mappatura ottica, spettrale e radar del pianeta gemello della Terra. Ma prima di mettersi al lavoro, la navicella spaziale delle dimensioni di un furgone ha bisogno di un "aerofreno", abbassando la sua orbita con migliaia di passaggi attraverso l'atmosfera calda e densa del pianeta per un massimo di due anni. Una struttura unica dell'ESA sta attualmente testando materiali candidati per veicoli spaziali per verificare che possano resistere in sicurezza a questo difficile processo di surf atmosferico.

"EnVision come attualmente concepito non può aver luogo senza questa lunga fase di aerofrenata", spiega Thomas Voirin, responsabile dello studio EnVision dell'ESA.

"Il veicolo spaziale verrà iniettato nell'orbita di Venere a un'altitudine molto elevata, a circa 250.000 km, quindi dobbiamo scendere a un'orbita polare di 500 km di altitudine per le operazioni scientifiche. Volando su un Ariane 62, non possiamo permetterci tutto il propellente extra ci vorrebbe per abbassare la nostra orbita. Invece rallenteremo noi stessi attraverso ripetuti passaggi attraverso l'alta atmosfera di Venere, arrivando fino a 130 km dalla superficie."

Il veicolo spaziale predecessore di EnVision, Venus Express, ha eseguito un'aerofrenata sperimentale durante gli ultimi mesi della sua missione nel 2014, raccogliendo dati preziosi sulla tecnica. L'aerobraking è stato utilizzato operativamente per la prima volta nel 2017 dall'ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) dell'ESA per abbassare la sua orbita attorno al Pianeta Rosso in un periodo di 11 mesi.

Thomas osserva:"La frenata aerodinamica attorno a Venere sarà molto più impegnativa rispetto al TGO. Per cominciare, la gravità di Venere è circa 10 volte superiore a quella di Marte. Ciò significa che velocità circa due volte superiori a quelle del TGO saranno sperimentate da il veicolo spaziale quando passa attraverso l'atmosfera e il calore viene generato come un cubo di velocità. Di conseguenza, EnVision deve puntare a un regime di frenata aerodinamica inferiore, risultando in una fase di frenata aerodinamica doppia più lunga.

"Inoltre, saremo anche molto più vicini al Sole, sperimentando circa il doppio dell'intensità solare della Terra, con le spesse nuvole bianche dell'atmosfera che riflettono molta luce solare direttamente nello spazio, che deve inoltre essere preso in considerazione. Poi, oltre a tutto ciò, ci siamo resi conto che dovevamo fare i conti con un altro fattore oltre le migliaia di orbite che prevediamo, precedentemente sperimentato solo nell'orbita terrestre bassa:l'ossigeno atomico altamente erosivo. "

Si tratta di un fenomeno rimasto sconosciuto durante i primi decenni dell'era spaziale. Fu solo quando i primi voli dello Space Shuttle tornarono dall'orbita bassa all'inizio degli anni '80 che gli ingegneri subirono uno shock:le coperte termiche del veicolo spaziale erano state gravemente erose.

Il colpevole si è rivelato essere ossigeno atomico altamente reattivo:singoli atomi di ossigeno ai margini dell'atmosfera, il risultato di molecole di ossigeno standard del tipo che si trovano appena sopra il suolo che vengono frantumate dalla potente radiazione ultravioletta del Sole. Oggi, tutte le missioni al di sotto di circa 1.000 km devono essere progettate per resistere all'ossigeno atomico, come le Sentinelle Europee di osservazione della Terra Copernnicus o qualsiasi hardware costruito per la Stazione Spaziale Internazionale.

Le osservazioni spettrali effettuate dagli orbiter orbitanti di Venere del passato sopra il pianeta confermano che l'ossigeno atomico è diffuso anche nella parte superiore dell'atmosfera venusiana, che è oltre 90 volte più densa dell'aria circostante la Terra.

Thomas dice:"La concentrazione è piuttosto alta, con un passaggio non importa molto ma nel corso di migliaia di volte inizia ad accumularsi e finisce con un livello di fluenza atomica di ossigeno di cui dobbiamo tenere conto, equivalente a quello che esperienza nell'orbita terrestre bassa, ma a temperature più elevate."

Il team di EnVision si è rivolto a una struttura europea unica, costruita appositamente dall'ESA per simulare l'ossigeno atomico in orbita. La Low Earth Orbit Facility, LEOX, fa parte del Materials and Electrical Components Laboratory dell'Agenzia, con sede presso il centro tecnico ESTEC dell'ESA nei Paesi Bassi.

Adrian Tighe, ingegnere dei materiali dell'ESA, spiega:"LEOX genera ossigeno atomico a livelli energetici equivalenti alla velocità orbitale. L'ossigeno molecolare purificato viene iniettato in una camera a vuoto con un raggio laser pulsante focalizzato su di essa. Questo converte l'ossigeno in un plasma caldo il cui rapido l'espansione viene convogliata lungo un ugello conico, quindi si dissocia per formare un raggio altamente energetico di ossigeno atomico.

"Per funzionare in modo affidabile, la temporizzazione del laser deve rimanere precisa su una scala di millisecondi e indirizzata a una precisione misurata in millesimi di millimetro, per tutta la durata di quattro mesi di questa attuale campagna di test.

"Questa non è la prima volta che la struttura è stata utilizzata per simulare un ambiente orbitale extraterrestre:in precedenza abbiamo eseguito test sull'ossigeno atomico su materiali candidati per l'array solare per la missione Juice dell'ESA, perché le osservazioni telescopiche suggeriscono che l'ossigeno atomico sarà trovato nelle atmosfere di Europa e Ganimede. Tuttavia, per EnVision l'aumento della temperatura durante l'aerofrenata rappresenta un'ulteriore sfida, quindi la struttura è stata adattata per simulare questo ambiente venusiano più estremo."

Una gamma di materiali e rivestimenti provenienti da diverse parti della navicella EnVision, inclusi isolamento multistrato, parti di antenne ed elementi di localizzazione stellare, sono posizionati all'interno di una piastra per essere esposta al raggio LEOX viola. Allo stesso tempo questa piastra viene riscaldata per simulare il flusso termico previsto, fino a 350°C.

Thomas aggiunge:"Vogliamo verificare che queste parti siano resistenti all'erosione e mantengano anche le loro proprietà ottiche, il che significa che non si degradano o scuriscono, il che potrebbe avere effetti a catena in termini di comportamento termico, perché abbiamo delicati strumenti scientifici che devono mantenere una temperatura impostata. Dobbiamo anche evitare sfaldamento o degassamento, che portano alla contaminazione."

Questa attuale campagna di test fa parte di un pannello più ampio che esamina l'aerobraking di EnVision, compreso l'uso di un database sul clima di Venere sviluppato dai risultati delle precedenti missioni per stimare la variabilità locale dell'atmosfera del pianeta per stabilire margini di sicurezza per il veicolo spaziale.

I risultati di questa campagna di test sono attesi per la fine di quest'anno. + Esplora ulteriormente

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