Parker Solar Probe verso il Sole
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Parker Solar Probe verso il Sole

Tra le missioni più all'avanguardia della NASA è sicuramente il Parker Solar Probe, una sonda destinata a entrare nella storia per attraversare l'atmosfera solare più interna al fine di svelare i segreti riguardanti l'accelerazione del vento solare e il riscaldamento della corona. Lanciata nel 2018, la missione Parker Solar Probe ha una vita di sette anni e un piano di volo che vede sette gravity-assist da Venere

Overview e obiettivi scientifici

Il Parker Solar Probe ha avuto una vita molto difficile con un rinvio decennale. Il lancio del 2018 realizza il sogno di Icaro, volare vicino al Sole. Le finalità riguardano la comprensione dei misteri che il Sole riserva da decenni

Il Parker Solar Probe è la prima missione spaziale diretta verso una stella , il Sole, risultando quindi essere una delle missioni spaziali più importanti per la storia della NASA. 
Una missione il cui ciclo di vita è previsto in sei anni e undici mesi, con un totale di 24 perieli dei quali gli ultimi tre porteranno la sonda a una distanza dal Sole inferiore ai sei milioni di chilometri, un decimo della distanza che separa Mercurio dalla stella centrale. 

Negli ultimi anni ciò che viene definito come space weather assume una rilevanza sempre maggiore: il nostro Sole sperimenta molto spesso violente esplosioni come conseguenza di campi magnetici molto intensi e soggetti a ricombinazioni la cui instabilità origina flussi di particelle cariche che si allontanano dalla stella sotto forma di vento solare ed espulsioni di massa coronale (CME - Coronal Mass Ejection). Proprio questi eventi sono in grado di influenzare notevolmente i pianeti che ne vengono investiti (bellissime arurore polari ma anche disturbi alle comunicazioni satellitari) e l'abitabilità dello spazio e comprendere i segreti del Sole è quindi fondamentale per l'evoluzione delle missioni spaziali ma anche, e soprattutto, della vita sulla Terra e oltre. 

Esempio di attività solare. Comprendere le modalità e i processi alla base dei rilasci di energia è fondamentale per le previsioni di space weather.
Esempio di attività solare. Comprendere le modalità e i processi alla base dei rilasci di energia è fondamentale per le previsioni di space weather.

Un primo moderno passo verso il Sole è stato rappresentato dal Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) della NASA, in grado di fornire immagini della nostra stella già dagli anni Novanta. La sonda Ulysses è riuscita a misurare vento solare e campo magnetico in un'orbita tale da consentire un sorvolo dei poli del Sole. Genesis, del 2001, ha raccolto particelle del vento solare riportando in seguito i campioni sulla Terra consentendo agli scienziati di misurare la composizione chimica. 
Le scoperte sono state numerose e anche con voli suborbitali, come quelli di SOFIA (Stratispheric Observatory for Infrared Astronomy), è stato possibile indagare sempre più in profondità nei processi che, ad esempio, riescono a riscaldare la corona solare a temperature difficilmente spiegabili, fino a coinvolgere microriconnessioni magnetiche e onde di Alfvén. Numerose, si, ma noi viviamo nell'atmosfera del Sole e dobbiamo conoscere più di quanto non sia oggi in nostro possesso poiché le correlazioni Sole-Terra sono ben strette e critiche. Conoscere i processi può portare a migliori previsioni di space weather e quindi a meno danni nel caso di eruzioni solari. 

Non basta, quindi, quanto fatto finora ma occorre avvicinarsi al Sole. Perché la corona solare è così calda? Cosa alimenta il vento solare? Sono queste le domande alle quali è essenziale rispondere poiché la fisica della corona e dell'eliosfera interna connette le attività solari all'ambiente circostante, a partire dalla Terra e dalle sue infrastrutture basate su comunicazioni satellitari, reti elettriche, esposizione alle radiazioni durantei i voli di linea, sicurezza nelle missioni spaziali. Per scoprire tutto questo occorre andare a controllare da vicino. 

Eugene Parker
Eugene Parker

Il concetto di Solar Probe è stato proposto per la prima volta ben sessanta anni prima del lancio della missione: una sonda in grado di avvicinarsi al Sole e di entrare nella corona per la prima volta al fine di ottenere dati e immagini mai ottenute finora facendo fronte a temperature e radiazioni come mai nessuna sonda ha dovuto fronteggiare. Il Solar Probe è stato ribattezzato in onore di Eugene Parker nel 2017: Eugene Parker, Professore Emerito al Department of Astronomy and Astrophysics della Università di Chicago, che negli anni Cinquanta propose un numero di idee sulla produzione di energia da parte del Sole. Parlò per la prima volta di vento solare e descrisse il complesso sistema di plasma , campi magnetici e particelle che lo compongono. Fornì anche una prima spiegazione al super-riscaldamento della corona solare.

Il Parker Solar Probe si distingue quindi anche per essere la prima missione della storia dedicata a un uomo ancora in vita. 
Una sonda destinata a rivoluzionare la comprensione del Sole, fornendo dati sulle regioni più interne della stella e sfrecciando a 430 miglia orarie nei punti di minor distanza dalla superficie stellare.

Ultimo aggiornamento del: 09/01/2019 16:20:13

Il satellite e gli strumenti

Quattro strumenti per la scoperta del funzionamento del vento solare e del riscaldamento della corona della nostra stella. Un capolavoro di tecnologia per sfiorare il Sole e riportare i dati di ben 24 perieli.

Il Parker Solar Probe è desintato a lavorare in ambienti estremi come quelli della corona solare e i suoi strumenti, quattro, devono collezionare dati su particelle e campi magnetici fronteggiando radiazioni e temperature di livello eccezionale. Il satellite e la sua strumentazione sono quindi protetti da un guscio di carbonio (Thermal Protection System - TPS) spesso 11.43 centimetri in grado di far fronte a temperature intorno ai 1.377°C. Il satellite è alto tre metri con un diametro di 2.3 metri. 
La propulsione è fornita da un propulsore a idrazina mentre la comunicazione è tarata su un downlink dei dati scientifici a 167 kbs a 1 UA di distanza. La comunicazione non può essere stabilita durante i passaggi ravvicinati al Sole a causa delle forti radiazioni e del rumore indotto. La sonda raccoglie, quindi, i dati e li invia a Terra quando si allontana dalla stella . Il controllo di stabilità e puntamento è affidato a giroscopi.

Vengono utilizzati pannelli solari che possono essere dispiegati e ripiegati in base al tratto orbitale percorso, al fine di mantenerli sempre a temperature e livelli di energia nominali. I pannelli forniscono 388 W a incontro e occupano un'area totale di 1.55 metri quadrati. 

Gli strumenti a bordo del Parker Solar Probe sono quattro: 

  • FIELDS
  • IS☉IS
  • WISPR
  • SWEAP

FIELDS Experiment

Lo strumento FIELDS. Crediti NASA
Lo strumento FIELDS. Crediti NASA

L'esperimento è mirato a misure dirette dei campi elettrici e magnetici e delle onde, della densità assoluta del plasma e della temperatura degli elettroni. FIELDS cattura scala e forma dei campi elettromagnetici in atmosfera solare, le onde e le turbolenze nell'eliosfera interna con alta risoluzione temporale per la miglior comprensione dei campi associati alle onde stesse, gli shock e le riconnessioni magnetiche, processi con i quali le linee del campo magnetico si riallineano. 

I campi elettrici vengono misurati intorno alla sonda attraverso cinque antenne, quattro delle quali si spingono oltre lo scudo termico e sono indirizzate verso la radiazione solare alla temperatura di 2.500 F. Le antenne, di due metri di lunghezza, sono composte da lega di niobio, in grado di resistere a temperature elevatissime. Le misurazioni dei campi elettrici vengono effettuate in range di frequenza molto ampi, sia direttamente sia da remoto. Operando in due modalità, le quanttro antenne misurano le proprietà della velocità del vento solare. La quinta antenna, perpendicolare alle altre nell'ombra del guscio termico, aiuta a creare una immagine tridimensionale del campo elettrico ad alte frequenze.
I campi magnetici sfruttano un tris di magnetometri, ciascuno delle dimensioni di un pugno. Un magnetometro a bobina (SCM - Search Coil Magnetometer) misura le variazioni nel tempo del campo magnetico attraverso le variazioni indotte nel voltaggio della bobina. Due magnetometri, chiamati MAGi e MAGo, misurano il campo magnetico coronale a larga scala, con particolare riguardo alle zone più distanti dal Sole, dove le variazioni sono più lente. 

FIELDS è stato disegnato, costruito e opera sotto la guida dello Space Sciences Laboratory alla University of California. Il Principal Investigator è il Prof. Stuart D. Bale della University of California, Berkeley

WISPR (Wide-field Imager for Solar PRobe)

Telescopi in grado di ottenere immagini della corona e dell'eliosfera interna oltre che del vento solare, degli shock e di altre strutture osservabili. Si tratta dell'unico strumento di ripresa di immagini a bordo del Solar Probe ed è destinato allo studio a larga scala della corona e del vento solare prima del sorvolo ravvicinato.

Lo strumento WISPR sul Solar Probe. Crediti NASA
Lo strumento WISPR sul Solar Probe. Crediti NASA

Grande come una scatola di scarpe, WISPR ottiene immagini di fenomeni come Coronal Mass Ejection (CME) e aiuta nella comprensione del legame tra strutture coronali a larga scala e dettagli minuti che possono essere catturati nei pressi del Sole. Per riprendere l'atmosfera solare, WISPR utilizza lo scudo termico per proteggersi dalla luce abbagliante e riprendere le strutture più deboli come la corona. Oltre allo scudo sono presenti degli appositi occultatori e strumenti di assorbimento per la luce residua che può essere riflessa verso lo strumento. 
Sono utilizzate due camere con sensore CMOS Active Pixel Sensor al posto dei tradizionali CCD, sostituzione necessaria per poter contare su strumenti più leggeri e a minor consumo energetico, oltre che meno suscettibili ai danni da radiazione provenienti da raggi cosmici o altre particelle altamente energetiche. Le lenti sono in BK7, un tipo di vetro utilizzato per telescopi spaziali e resistente anche a impatti con grani di polvere. 

WISPR è stato disegnato e sviluppato dalla Solar and Heliophysics Physics Branch al Naval Research Laboratory a Washington DC e il Principal Investigator è il Dott. Russell Howard del Naval Research Laboratory

SWEAP (Solar Wind Electrons Alphas and Protons)

Esperimento mirato a contare le particelle più abbondanti del vento solare e misurarne le proprietà come velocità, densità e temperatura. Si basa su due strumenti complementari, il Solar Probe Cup (SPC) e il Solar Probe Analyzer (SPAN).

Lo strumento SPC del Solar Probe. Crediti NASA
Lo strumento SPC del Solar Probe. Crediti NASA

SPC è una coppa di Faraday, un dispositivo metallico che può catturare particelle energetiche nel vuoto. E' posta sopra lo scudo termico risultando quindi esposta alla luce, al calore e all'energia totale del Sole. Si compone di una serie di griglie molto trasparenti, una delle quali utilizza voltaggi variabili per ordinare le particelle. Le griglie possono raggiungere i 3.000 F, emettendo una luce rossa durante le misurazioni. Durante i passaggi ravvicinati SPC ottiene 146 misurazioni al secondo ai fini della caratterizzazione del plasma.

Strumento SPAN-A sul Solar Probe. Crediti NASA
Strumento SPAN-A sul Solar Probe. Crediti NASA

SPAN si compone di due strumenti come SPAN-A e SPAN-B, entrambi con ampi campi di vista per consentire di osservare parti di spazio non osservati da SPC. Le particelle vengono inviate attraverso una serie di deflettori ai fini della classificazione per massa e carica. SPAN-A misura elettroni e ioni mentre SPAN-B misura soltanto gli elettroni. 

SPAN-B sul Solar Probe. Crediti NASA
SPAN-B sul Solar Probe. Crediti NASA

SWEAP è stato costruito principalmente allo Smithsonian Astrophysical Observatory a Cambridge, Massachusetts, e allo Space Sciences Laboratory alla University of California, Berkeley. Principal Investigator è il Prof. Justin Kasper della University of Michigan e Smithsonian Astrophysics Observatory

IS☉IS (ntegrated Science Investigation of the Sun - pronuncia "ee-sis" con il simbolo del Sole nell'acronimo)

Strumento finalizzato alle osservazioni degli elettroni più energetici, dei protoni e degli ioni pesanti accelerati da decine di keV a 100 MeV all'interno dell'atmosfera solare e dell'eliosfera interna. Si tratta della combinazione di due strumenti finalizzati a misurare le particelle in un ampio range di energie con lo scopo ultimo di comprendere il ciclo di vita delle particelle, da dove vengono, come vengono accelerate e come abbandonano il Sole.

I due strumenti sono chiamati EPI-Lo e EPI-Hi (EPI - Energetic Particle Instrument). Il primo misura gli spettri di elettroni e ioni e identifica carbonio, ossigeno, neon, magnesio, silicio, ferro e due isotopi dell'elio come He-3 e He-4, con questa distinzione isotopica necessaria per determinare quale dei meccanismi teorizzati possa causare l'accelerazione delle particelle. La forma è simile a un riccio di mare con una cupola ottagonale che ospita ottanta mirini, ciascuno delle dimensioni di un centesimo. Questi mirini forniscono una ampia visione delle particelle a bassa energia. Uno ione che entra in EPI-Lo attraverso uno dei mirini passa attraverso due fogli di alluminio-poliammide-carbonio e incontra un sensore a stato solido. I fogli producono elettroni che vengono misurati da una piastra a microcanali. Tramite l'energia lasciata dagli ioni nell'impatto sul sensore e il tempo impiegato dal passaggio è possibile identificare la tipologia di particella. 
EPI-Hi utilizza invece sensori composti di vari strati di detectors per misurare particelle con energie maggiori. I primi strati sono composti di silicio e sfruttano diverse geometrie per determinare la direzione delle particelle e diminuire il rumore. Le particelle cariche sono identificate misurando la profondità raggiunta negli strati e quanti elettroni vengono smossi in ogni livello (ionizzazione). Durante il close approach al Sole, EPI-Hi consentirà di misurare 100 mila particelle al secondo. 
IS☉IS è guidato dalla Princeton University a Princeton (New Jersey) ed è stato ampiamente costruito presso il Johns Hopkins Applied Physics Laboratory a Laurel, Maryland, e al Caltech, a Pasadena. Principal Investigator è il Dott. David McComas, della Princeton University.

Lo strumento ISoIS sul Solar Probe Crediti NASA
Lo strumento IS☉IS sul Solar Probe Crediti NASA

Ultimo aggiornamento del: 09/01/2019 16:39:46

Timeline della missione

Lanciata a metà 2018 la sonda ha effettuato prima della fine dello stesso anno un gravity-assist su Venere e un perielio. Una missione che durerà sette anni rompendo ogni record di avvicinamento al Sole e di velocità relativa. Ventiquattro perieli.

Per sapere dove si trova ora il Parker Solar Probe clicca qui

Quella del Solar Probe è una storia decisamente scandita da problemi di budget, problemi che hanno fatto slittare il lancio da fine 2007 fino ad agosto 2018. 
Il 18 marzo del 2014 la missione ha raggiunto lo stato di sviluppo (Phase C), stato che finalmente avvia i processi di design, development e testing sotto la guida del Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL). 
La Critical Design Review (CDR) è datata marzo 2015 mentre a maggio 2016 è stata verbalizzata la System Integration Review, con start della fase di integrazione e testing a Luglio 2016.

Il 2017 ha visto, oltre alla variazione del nome della missione con dedica a Eugene Parker (31 maggio), il rilascio degli strumenti e il test di sistema fino al trasporto dell'osservatorio a Cape Canaveral, avvenuto nella primavera del 2018.

Il lancio è avvenuto il 12 agosto 2018 ore 07.31 UTC a bordo di un Delta IV-Heavy con Upper Stage da Cape Canaveral, Launch Complex 37, con una massa di 610 chilogrammi.

A bordo anche una placca dedicata a Eugene Parker e una memory card con 1.137.202 nomi degli aderenti al programma di "fidelizzazione" NASA "Manda il tuo nome sul Sole". 
Il piano di volo alla partenza prevede sette fly-by di Venere (gravity assists) durante i sette anni di missione, al fine di stringere sempre più l'orbita verso il Sole. In questo modo, la sonda riuscirà a passare 900 ore nei pressi del Sole. Il disegno iniziale prevedeva un solo gravity assist offerto da Giove, con un tempo di vicinanza al Sole inferiore a cento ore.  

La prima manovra di perfezionamento della traiettoria (TCM-1) è stata effettuata il 20 agosto 2018 alle ore 06.07 EDT mentre una seconda manovra è stata operata il 31 agosto (TCM-2) accendendo il motore per 35.2 secondi.

La prima luce giunge da WISPR con una immagine che nel lato destro copre di 40° di cielo, il cui bordo destro dista 58.5° dal centro del Sole. Visibile, brillante, a destra del centro dell'immagine c'è Giove. La parte sinistra dell'immagine è ottenuta dal telescopio esterno di WISPR, con 58° di vista fino a 160° dal Sole. 

La prima luce di WISPR. Crediti NASA
La prima luce di WISPR. Crediti NASA

2018

  • 3 ottobre 2018: primo gravity assist di Venere alle ore 08.44 UTC. Il Parker Solar Probe è passato davanti al pianeta ottenendo una accelerazione e una variazione di traiettoria, da una distanza di 1.500 miglia. Dopo due giorni dal fly-by la sonda ha iniziato l'avvicinamento al Sole e i pannelli solari, come previsto, hanno iniziato a piegarsi verso l'interno per mantenere la temperatura nominale. 
  • 25 settembre 2018: Il Parker Solar Probe invia a Terra una immagine del nostro pianeta. Nell'immagine, la Terra è l'oggetto brillante e tondo sul lato destro. 
La Terra ripresa dal Parker Solar Probe. Crediti NASA
La Terra ripresa dal Parker Solar Probe. Crediti NASA
  • 29 ottobre 2018: il Parker Solar Probe diventa l'oggetto che più di tutti è riuscito ad avvicinarsi al Sole, battendo la sonda Helios B (1976) passando a 26,55 milioni di miglia dal Sole. Per l'occasione, la sonda è divenuta anche la più veloce relativamente al Sole raggiungendo le 153.454 miglia orarie. 
  • 6 novembre 2018: primo perielio alle ore 03.27 UTC alla distanza di 22 milioni di chilometri dal Sole (0.25 UA). La velocità raggiunta è stata di 213.200 miglia orarie, nuovo evidente record relativamente al Sole. 
  • 16 novembre 2018: acquisizione della prima telemetria dopo il primo perielio, con conferma che tutti gli strumenti sono operativi e in buona salute. Soltanto a metà dicembre i dati raccolti durante il primo passaggio hanno iniziato a fluire verso Terra per essere analizzati.

2019

  • 4 aprile 2019: secondo perielio
  • 1 settembre 2019: terzo perielio
  • 26 dicembre 2019: secondo gravity assist di Venere

2020

  • 29 gennaio 2020: quarto perielio
  • 7 giugno 2020: quinto perielio
  • 11 luglio 2020: terzo gravity assist di Venere
  • 27 settembre 2020: sesto perielio

2021 

  • 17 gennaio 2021: settimo perielio
  • 20 febbraio 2021: quarto gravity assist di Venere
  • 29 aprile 2021: ottavo perielio
  • 9 agosto 2021: nono perielio
  • 16 ottobre 2021: quinto gravity assist di Venere
  • 21 novembre 2021: decimo perielio

2022

  • 25 febbraio 2022: undicesimo perielio
  • 1 giugno 2022: dodicesimo perielio
  • 6 settembre 2022: tredicesimo perielio
  • 11 dicembre 2022: quattordicesimo perielio

2023

  • 17 marzo 2023: quindicesimo perielio
  • 22 giugno 2023: sedicesimo perielio
  • 21 agosto 2023: sesto gravity assist di Venere
  • 27 settembre 2023: diciassettesimo perielio
  • 29 dicembre 2023: diciottesimo perielio

2024

  • 30 marzo 2024: diciannovesimo perielio
  • 30 giugno 2024: ventesimo perielio
  • 30 settembre 2024: ventunesimo perielio
  • 6 novembre 2024: settimo e ultimo gravity assist di Venere
  • 24 dicembre 2024: ventiduesimo perielio, primo close approach al Sole

2025

  • 22 marzo 2025: ventitreesimo perielio
  • 19 giugno 2025: ventiquattrsimo perielio

Ultimo aggiornamento del: 09/01/2019 17:02:26