Rivelatori leggeri per studiare Marte e resistere alle sue condizioni estreme
Marte, con i suoi paesaggi polverosi e la sottile atmosfera che lo circonda, incuriosisce da tempo gli scienziati, essendo caratterizzato da un clima modellato da tempeste di polvere, nubi transitorie e fenomeni come i diavoli di polvere(si apre in una nuova finestra), che contengono indizi vitali sull’evoluzione del pianeta. Tuttavia, lo studio di queste caratteristiche atmosferiche si è rivelato impegnativo: gli strumenti utilizzati dai ricercatori sulla Terra, tra cui i sistemi LiDAR(si apre in una nuova finestra) che analizzano gli aerosol e le nuvole, sono troppo ingombranti e richiedono molta energia per lo svolgimento delle missioni marziane. Ad oggi, solo un sistema LiDAR ha raggiunto la superficie di Marte, ovvero quello a bordo della missione Phoenix della NASA, realizzata nel 2008. Ciononostante, pur avendo fornito dati preziosi, le sue prestazioni sono state ostacolate da alcuni aspetti, come il raggio d’azione limitato (un’altezza massima osservabile di circa 10 km) e la funzionalità ridotta durante le operazioni diurne.
Sfide legate alle missioni su Marte
Il progetto MiLi(si apre in una nuova finestra), finanziato dall’UE, si è posto l’obiettivo di creare un sistema LiDAR compatto e a bassa potenza in grado di effettuare osservazioni dettagliate, appositamente progettato per le missioni marziane. «Il problema dei sistemi LiDAR tradizionali è che richiedono un controllo termico preciso per mantenere i componenti allineati e funzionanti. Su Marte, dove le temperature oscillano drasticamente, ciò sarebbe quasi impossibile senza una riprogettazione completa», osserva Isaias Carrasco-Blazquez, il coordinatore del progetto. Per affrontare questo problema, il team del progetto ha rivisitato la tecnologia da zero concentrandosi sui miglioramenti che avrebbero reso il sistema di minori dimensioni, più leggero e maggiormente efficiente dal punto di vista energetico. Un’innovazione fondamentale è stata la sostituzione delle sorgenti luminose tradizionali con pile di diodi laser, che consumano meno energia e producono una quantità inferiore di calore; per garantire la corretta messa a fuoco dei fasci laser, sono state sviluppate ottiche specializzate in grado di effettuarne una collimazione precisa. Un’altra innovazione è stata l’introduzione di fotomoltiplicatori al silicio in qualità di rilevatori: pur generando livelli di rumore leggermente più elevati rispetto ai rilevatori tradizionali, questi sensori richiedono molta meno energia e offrono un campo di rilevamento più ampio. In definitiva, il team ha sviluppato materiali ceramici che, grazie a un coefficiente di espansione termica controllato, contribuiscono a mantenere l’allineamento del sistema anche in presenza di oscillazioni di temperatura.
Un piccolo sistema con un grande potenziale
Carrasco-Blazquez spiega: «Il prototipo di MiLi, che pesa solo 6 kg e consuma 15 W, ha dimostrato le sue capacità nei test sul campo, raggiungendo una portata superiore ai 25 km. Il prototipo e le tecnologie abilitanti hanno raggiunto un livello di maturità tecnologica (TRL) pari a 4, mentre sono previsti ulteriori progressi.» Ciò che distingue MiLi è la sua configurazione LiDAR «2β + 1δ», che consente alla soluzione di raccogliere dati più dettagliati che mai e permette di misurare la quantità di luce diffusa dalle particelle, nonché la depolarizzazione e il rapporto di colore. Queste misurazioni forniscono informazioni fondamentali sulle dimensioni, la forma e il tipo di particelle presenti nell’atmosfera. «La progettazione compatta del sistema apre la strada a nuove possibilità, come lo studio laterale dei diavoli di polvere con un dettaglio senza precedenti. Per la prima volta, gli scienziati hanno potuto analizzare la velocità, l’opacità e la distribuzione delle dimensioni delle particelle di questi fenomeni vorticosi», aggiunge Carrasco-Blazquez.
Dare forma al futuro della ricerca marziana
Sebbene MiLi abbia compiuto notevoli progressi, esiste ancora margine di miglioramento prima di raggiungere il TRL 6, ossia il livello richiesto per una missione di volo. Tra le aree chiave figurano l’avanzamento della produzione di ceramica per produrre componenti più leggeri e complessi, l’esecuzione di ulteriori test ambientali su componenti commerciali, il miglioramento della resistenza alle radiazioni dei rivelatori fotomoltiplicatori al silicio e la realizzazione di test di vuoto termico sull’intero sistema LiDAR per garantire l’allineamento degli strumenti nelle gamme di temperatura estreme di Marte. L’impatto del progetto MiLi va oltre i risultati immediati: un partner del progetto sta ora contribuendo a un’iniziativa sponsorizzata dall’Agenzia spaziale europea con l’obiettivo di distribuire un sistema LiDAR a bordo di un veicolo spaziale per studiare l’atmosfera di Marte dall’orbita. Sebbene questa missione sia ancora nelle sue fasi iniziali, enfatizza il significato più ampio delle innovazioni create da MiLi.
