Camera di simulazione delle condizioni marziane

Lo studio dell’ambiente marziano necessita dello sviluppo di sensori e di metodologie con requisiti chiaramente diversi dalle tipiche condizioni terrestri. Riprodurre i parametri entro cui avvengono le misure è un passo indispensabile per la realizzazione di nuova strumentazione.

Il Laboratorio di Fisica Cosmica dell’Osservatorio Astronomico di Capodimonte ha realizzato e/o riadattato diverse camere di simulazione, in cui è possibile produrre un’atmosfera caratterizzata da composizione e condizioni termodinamiche simili a quelle dell’atmosfera marziana. Il futuro dell’esplorazione di Marte si sta orientando sempre più verso lo sviluppo tecnologico di lander e/o rover che possano esplorare la superficie del pianeta in maniera ravvicinata su aree considerate interessanti dal punto di vista geologico e/o esobiologico in seguito alle analisi dei dati provenienti dagli orbiter.
Negli ultimi anni abbiamo infatti assistito allo sviluppo e al lancio di diversi lander e/o rover quali i 2 rover MER della NASA (Spirit e Opportunity), Beagle 2 sulla missione ESA Mars Express e per il futuro ne sono previsti molti altri: ESA ExoMars, NASA Phoenix, MSL, ecc.
Lo sviluppo degli esperimenti a bordo di tali lander e rover richiede spesso che la validazione e i test di prestazione vengano eseguiti in un ambiente che simuli quello in cui tali strumenti si troveranno effettivamente ad operare.
Le camere di simulazione sono generalmente calibrate e utilizzate per riprodurre al meglio le condizioni ambientali del pianeta da simulare. In tal modo è possibile:

Sviluppare e calibrare sensori e sistemi di volo utilizzati o da impiegare in missioni spaziali;
Interpretare accuratamente i dati acquisiti in situ.

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Dal punto di vista tecnologico è possibile dimostrare le prestazioni di strumenti di nuova generazione progettati per misure in situ o in remoto su Marte. Inoltre, i dati acquisiti durante i test con bread-board o copie di strumenti di volo permettono di tracciare in maniera sistematica e riproducibile il comportamento di tali dispositivi in funzione di varie condizioni al contorno.
Dal punto di vista scientifico, gli esperimenti sono mirati a riprodurre le condizioni ambientali e studiare le proprietà osservate in funzione della variazione di alcuni parametri ambientali. Così è, ad esempio, possibile studiare l’evoluzione delle componenti gassose e solide (polveri, aerosol) che costituiscono l’atmosfera, e simulare la loro evoluzione in accordo con i meccanismi attivi sul pianeta. Inoltre, attraverso misure spettroscopiche, si possono ricavare spettri di diverse composizioni del gas predisposto nel simulatore, da confrontare con quelli rivelati in situ (es.: spettrometri presenti sui lander e/o rover quali MiniTES sui rover MER).
In ambito europeo, la missione ESA ExoMars è progettata per caratterizzare l’ambiente biologico marziano e per preparare missioni automatiche e successivamente la presenza dell’uomo su Marte. La missione prevede anche lo sviluppo di un rover. Gli strumenti che costituiranno il carico scientifico di ExoMars dovranno operare in un’atmosfera estremamente rarefatta (pressione media ~ 6 mbar) costituita da CO2 con tracce di altri gas (quali il vapore acqueo), a temperature relativamente basse (Tmedia ~ 220 K) ed in un ambiente di polvere con concentrazione variabile.
Le camere di simulazione presenti presso il Laboratorio di Fisica Cosmica e Planetologia (LFCP) dell’INAF di Napoli possono costituire un valido supporto per simulare accuratamente le condizioni atmosferiche di Marte in prossimità del suolo, anche in previsione del controllo del comportamento e delle prestazioni di strumenti nelle reali condizioni ambientali in cui si troveranno ad operare.
La prima camera è stata disegnata per la simulazione dell’atmosfera di Titano e già utilizzata per produrre l’ambiente di collaudo e calibrazione della strumentazione a bordo della missione spaziale Cassini e, in particolare, dello strumento HASI (Rotundi, 1990 – tesi di laurea ). La camera, quindi, è di per se versatile ed adattabile per riprodurre varie condizioni ambientali e potrà diventare una facility di riferimento per svariati progetti spaziali per il futuro. L’apparato in oggetto è costituito da una camera cilindrica a doppia parete di isolamento, in acciaio inossidabile (ideale per la resistenza a temperature criogeniche), lunga 800 mm e con un diametro interno di 500 mm e da due flange laterali disposte per ricevere i coperchi principali. Il volume utile è di 0.1 m³. Il raffreddamento della camera è ottenuto mediante un circuito a serpentina ad azoto liquido collegato ad un Dewar di rifornimento; sono inoltre presenti resistenze elettriche atte a riscaldare l’ambiente interno fino a ~ 370 K. l’intercapedine tra le due pareti di contenimento è evacuabile per un isolamento termico ottimale. La camera è stata progettata per consentire una pressurizzazione tra 10-6 mbar e 4 bar e un condizionamento termico da 50 a 370 K e può essere riempita con miscele di gas di differente composizione.
Lo scopo principale delle camere di simulazione è la caratterizzazione della risposta di sensori integrati in esperimenti previsti a bordo di missioni spaziali dedicate allo studio di Marte. Inoltre, attraverso l’uso di questo apparato di laboratorio è possibile sviluppare tecniche di riduzione dati preventivamente alle effettive missioni.
Le camere sono funzionanti. Sono state utilizzate per verificare le prestazioni dello strumento MEDUSA.