Il futuro dell'astronomia sui palloni aerostatici

di Davide Longopiede 0 visite

Il Balloon Program Analysis Group della NASA ha recentemente presentato una tabella di marcia alla NASA, per guidarla su come pianificare e finanziare i futuri programmi di astronomia con palloni aerostatici. I palloni aerostatici vengono utilizzati da oltre un secolo per condurre esperimenti di fisica, osservazioni astronomiche e lavori di osservazione della Terra, ma rimangono relativamente sconosciuti al grande pubblico. L'astronomia con i palloni aerostatici presenta molti vantaggi rispetto ai telescopi spaziali, ma a una frazione dei costi.

Il primo esperimento scientifico moderno basato su palloni aerostatici risale al 1912, quando il fisico austriaco Victor Hess sollevò 3 elettroscopi a un'altitudine di 5300 metri (anche se i meteorologi usavano palloni aerostatici per misurare la temperatura dell'aria a diverse altitudini già dalla fine del XIX secolo). Hess voleva dimostrare che le radiazioni di fondo provengono dai minerali radioattivi presenti nel terreno, ma scoprì che i livelli di radiazioni ionizzanti aumentavano ad alta quota. Questo esperimento, che ha scoperto le particelle ad alta velocità che oggi chiamiamo raggi cosmici e che è valso a Hess un premio Nobel, ha segnato l'inizio del campo dell'astrofisica delle alte energie.

Astronomia in pallone

Le moderne missioni in mongolfiera servono un'ampia gamma di campi scientifici. Le osservazioni dei raggi cosmici sono una fonte preziosa di dati per gli esperimenti di fisica delle particelle. Le particelle dei raggi cosmici hanno spesso energie molto superiori a quelle che gli scienziati possono raggiungere in acceleratori di particelle come il Large Hadron Collider, quindi queste missioni possono raccogliere dati preziosi osservando le collisioni tra i raggi cosmici e le molecole d'aria nell'alta atmosfera.

Ma i palloni aerostatici eseguono spesso anche osservazioni astronomiche più tradizionali. Piccoli telescopi (con apertura inferiore a 1 metro) vengono spesso issati al di sopra dell'atmosfera per studiare gli esopianeti. Possono osservare direttamente le cinture di polvere protoplanetarie intorno alle stelle e individuare nuovi esopianeti con il metodo del transito.

L'alta quota dei voli in mongolfiera consente di posizionare i telescopi a infrarossi (IR) al di sopra del vapore acqueo presente nell'atmosfera. Poiché il vapore acqueo assorbe molto efficacemente la luce IR, questi telescopi possono effettuare osservazioni ad alta risoluzione di stelle molto deboli che sarebbero impossibili da terra. Allo stesso modo, i radiotelescopi che operano nella banda del terahertz (THz), anch'essa bloccata dal vapore acqueo atmosferico, possono essere sollevati abbastanza in alto per studiare il mezzo interstellare.

Vantaggi

I palloni aerostatici possono posizionare strumenti scientifici e osservatori a un'altitudine sufficiente per ottenere molti dei vantaggi degli osservatori nello spazio, ma con pochi svantaggi. Il vantaggio più evidente dei palloni aerostatici rispetto ai satelliti è il costo; il James Webb Space Telescope (JWST) è costato quasi 9 miliardi di dollari e anche i moderni fornitori di lanci commerciali, con i loro razzi riutilizzabili, hanno ancora un prezzo fuori portata per i programmi di ricerca e gli istituti più piccoli. I palloni aerostatici possono trasportare carichi estremamente ingombranti e pesanti fino ai confini dello spazio e rimanere in volo per lunghi periodi, a una frazione minima del prezzo del lancio di un razzo.

Poiché queste missioni sono economiche, possono tollerare un livello di rischio molto più elevato. Ciò significa non solo che i ricercatori junior o non laureati possono essere coinvolti direttamente nello sviluppo degli strumenti, ma anche che l'esperimento può essere più ambizioso; è molto più facile accettare un esperimento fallito se non è costato troppo!

Le missioni in pallone hanno anche un tasso di recupero molto elevato. I satelliti tendono ad essere abbandonati nello spazio o a rientrare nell'atmosfera. I palloni aerostatici, invece, sono solitamente dotati di ricevitori GPS e trasmettono costantemente la telemetria, in modo che i proprietari sappiano esattamente dove trovarli quando tornano sulla Terra.

Test e sviluppo

Un effetto dei vantaggi sopra elencati è che i palloni aerostatici sono spesso utilizzati come banco di prova per nuove tecnologie e strumenti di osservazione. Molti strumenti inviati nello spazio, sia negli osservatori orbitali che nelle sonde inviate su altri pianeti, sono basati su progetti testati per la prima volta in pallone.

Ad esempio, gli hodoscopi a fibre ottiche scintillanti sono strumenti utilizzati per rilevare i raggi cosmici e sono comunemente usati nello spazio. Uno di questi è stato utilizzato nel Cosmic Ray Isotope Spectrometer (CRIS), che ha funzionato perfettamente sulla navicella ACE negli ultimi 23 anni. Un altro fa parte del CALorimetric Electron Telescope (CALET), che lavora sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) dal 2015. Questi strumenti sono stati utilizzati per la prima volta con esperimenti sui raggi cosmici trasportati da palloni aerostatici e hanno quindi beneficiato di anni di sviluppo e test prima di essere lanciati nello spazio.

Allo stesso modo, il Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics (PAMELA) e il secondo Alpha Magnetic Spectrometer (AMS02) della ISS si basano entrambi su strumentazioni originariamente progettate per le altezze prossime allo spazio in cui operano i palloni aerostatici.

Requisiti di progettazione

I palloni aerostatici utilizzati per l'astronomia hanno tre requisiti fondamentali di progettazione: Devono essere in grado di galleggiare ad altitudini molto elevate, devono essere in grado di sollevare carichi pesanti e devono essere in grado di volare per un tempo molto lungo prima di tornare sulla Terra.

I palloni ad elio sono riempiti solo parzialmente al momento del lancio. Man mano che salgono e la pressione atmosferica diminuisce, l'elio all'interno del pallone si espande in modo da essere completamente gonfiato solo quando raggiunge l'altitudine di lavoro e non scoppia durante la salita. Non si tratta però di una situazione stabile. Al variare della temperatura e della pressione locale, il gas all'interno del pallone si espande e si restringe, facendo salire o scendere il pallone a quote diverse, o addirittura scoppiare. Per gestire questo problema, la NASA utilizza due modelli diversi.

I palloni a pressione zero (ZPB) trasportano una scorta di zavorra o di elio e sono in grado di controllare la loro altitudine secondo le necessità. Se un pallone ZPS inizia a salire troppo in alto, fa fuoriuscire parte del gas, sgonfiando leggermente il pallone, e se inizia a scendere, può rigonfiare il pallone o lasciare la zavorra. Si tratta di un metodo molto efficace per mantenere un'altitudine stabile, ma limita la durata della missione: quando il gas o la zavorra sono finiti, il pallone non può più mantenere l'altitudine e deve scendere.

I palloni a superpressione (SPB) sono realizzati con materiali molto più resistenti: non si allungano, quindi il volume del gas non cambia durante il volo. Ciò richiede che il gas all'interno del pallone sia sempre a una pressione superiore a quella dell'atmosfera circostante, da cui il nome. Gli SPB sono progettati per mantenere un'altitudine relativamente costante durante il ciclo giorno-notte, senza bisogno di trasportare materiali di consumo, il che consente loro di volare per periodi molto lunghi.

Gli ZPB possono volare fino a 8 settimane durante l'estate in Antartide, ma in genere effettuano solo voli più brevi di pochi giorni. Possono issare carichi utili fino a 4 tonnellate nella bassa stratosfera, ma meno di una tonnellata nell'alta stratosfera. Gli SPB, invece, possono effettuare voli fino a 100 giorni, ma non possono volare in alto come gli ZPB, né gestire carichi utili così pesanti.