Centinaia di milioni di pezzi di spazzatura spaziale orbitano quotidianamente intorno alla Terra, da scaglie di vecchia vernice per razzi, a frammenti di pannelli solari, e interi satelliti morti. Questa nuvola di detriti ad alta tecnologia gira intorno al pianeta a circa 17, 500 miglia orarie. A queste velocità, persino spazzatura piccola come un sassolino può silurare un'astronave di passaggio.

La NASA e il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti stanno utilizzando telescopi terrestri e radar laser (ladar) per tracciare più di 17, 000 oggetti detriti orbitali per aiutare a prevenire le collisioni con le missioni operative. Tali ladar brillano laser ad alta potenza sugli oggetti bersaglio, misurare il tempo impiegato dall'impulso laser per tornare sulla Terra, per individuare detriti nel cielo.

Ora gli ingegneri aerospaziali del MIT hanno sviluppato una tecnica di rilevamento laser in grado di decifrare non solo dove, ma anche quale tipo di spazzatura spaziale potrebbe passare sopra di loro. Per esempio, la tecnica, chiamata polarimetria laser, può essere usato per discernere se un pezzo di detriti è di metallo nudo o coperto di vernice. La differenza, dicono gli ingegneri potrebbe aiutare a determinare la massa di un oggetto, quantità di moto, e potenziale di distruzione.

"Nello spazio, le cose tendono a rompersi nel tempo, e ci sono state due grandi collisioni negli ultimi 10 anni che hanno causato picchi piuttosto significativi nei detriti, "dice Michele Pasqual, un ex studente laureato presso il Dipartimento di aeronautica e astronautica del MIT. "Se riesci a capire di cosa è fatto un pezzo di macerie, puoi sapere quanto è pesante e quanto velocemente potrebbe deorbitare nel tempo o colpire qualcos'altro."

Kerri Cahoy, il Rockwell International Career Development Associate Professor di aeronautica e astronautica al MIT, afferma che la tecnica può essere facilmente implementata su sistemi terrestri esistenti che attualmente monitorano i detriti orbitali.

"[Le agenzie governative] vogliono sapere dove sono questi pezzi di detriti, così possono chiamare la Stazione Spaziale Internazionale e dire, 'Grande pezzo di detriti che viene verso di te, accendi i tuoi propulsori e muoviti in modo da essere chiaro, '", dice Cahoy. "Mike ha trovato un modo in cui, con qualche modifica all'ottica, potrebbero usare gli stessi strumenti per ottenere maggiori informazioni su di cosa sono fatti questi materiali".

Pasqual e Cahoy hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Transazioni IEEE su sistemi aerospaziali ed elettronici .

Vedendo una firma

La tecnica del team utilizza un laser per misurare l'effetto di un materiale sullo stato di polarizzazione della luce, che si riferisce all'orientamento del campo elettrico oscillante della luce che si riflette sul materiale. Ad esempio, quando i raggi del sole si riflettono su una palla di gomma, il campo elettrico della luce in arrivo può oscillare verticalmente. Ma certe proprietà della superficie della palla, come la sua ruvidezza, può farlo riflettere invece con un'oscillazione orizzontale, o con un orientamento completamente diverso. Lo stesso materiale può avere molteplici effetti di polarizzazione, a seconda dell'angolo con cui la luce lo colpisce.

Pasqual riteneva che un materiale come la vernice potesse avere una "firma" di polarizzazione diversa, "riflettere la luce laser in modelli distinti dai modelli di, dire, alluminio nudo. Le firme di polarizzazione quindi potrebbero essere un modo affidabile per gli scienziati di identificare la composizione dei detriti orbitali nello spazio.

Per testare questa teoria, ha installato un polarimetro da banco, un apparato che misura, da molte angolazioni diverse, la polarizzazione della luce laser che riflette un materiale. Il team ha utilizzato un raggio laser ad alta potenza con una lunghezza d'onda di 1, 064 nanometri, simile ai laser utilizzati nei ladar terrestri esistenti per tracciare i detriti orbitali. Il laser era polarizzato orizzontalmente, il che significa che la sua luce oscillava lungo un piano orizzontale. Pasqual ha quindi utilizzato un'ottica di filtraggio della polarizzazione e rilevatori al silicio per misurare gli stati di polarizzazione della luce riflessa.

Setacciare la spazzatura spaziale

Nella scelta dei materiali da analizzare, Pasqual ne ha scelti sei comunemente usati nei satelliti:vernice bianca e nera, alluminio, titanio, e Kapton e Teflon, due materiali simili a pellicole usati per schermare i satelliti.

"Pensavamo che fossero molto rappresentativi di ciò che potresti trovare nei detriti spaziali, "dice Pasquale.

Ha messo ogni campione nell'apparato sperimentale, che è stato motorizzato in modo che le misurazioni possano essere effettuate con diverse angolazioni e geometrie, e misurato i suoi effetti di polarizzazione. Oltre a riflettere la luce con la stessa polarizzazione della luce incidente, i materiali possono anche visualizzare altri, comportamenti di polarizzazione estranea, come ruotare leggermente l'oscillazione della luce, un fenomeno chiamato ritardo. Pasqual ha identificato 16 principali stati di polarizzazione, quindi ha preso nota degli effetti su un dato materiale esibito mentre rifletteva la luce laser.

"Il teflon aveva una proprietà davvero unica per cui quando fai brillare la luce laser con un'oscillazione verticale, sputa indietro un angolo di luce intermedio, " dice Pasqual. "E alcune delle vernici avevano depolarizzazione, dove il materiale sputerà combinazioni uguali di stati verticali e orizzontali."

Ogni materiale aveva una firma di polarizzazione sufficientemente unica per distinguerlo dagli altri cinque campioni. Pasqual crede che altri materiali aerospaziali, come vari film schermanti, o materiali compositi per antenne, celle solari, e circuiti stampati, possono anche esibire effetti di polarizzazione unici. La sua speranza è che gli scienziati possano utilizzare la polarimetria laser per stabilire una libreria di materiali con firme di polarizzazione uniche. Aggiungendo determinati filtri ai laser sui ladar a terra esistenti, gli scienziati possono misurare gli stati di polarizzazione dei detriti in transito e abbinarli a una libreria di firme per determinare la composizione dell'oggetto.

"Ci sono già molte strutture a terra per rintracciare i detriti così com'è, " Dice Pasqual. "Il punto di questa tecnica è, mentre lo fai, potresti anche mettere dei filtri sui tuoi rilevatori che rilevano i cambiamenti di polarizzazione, e sono quelle caratteristiche di polarizzazione che possono aiutarti a dedurre di cosa è fatto il materiale. E puoi ottenere maggiori informazioni, praticamente gratis."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.