Il programma consiste nella realizzazione di voli su piattaforma stratosferica, dedicati alla raccolta di aerosol di dimensioni microniche e submicroniche (di origine terrestre o extra-terrestre) che stazionano nella stratosfera a quote comprese tra i 30 e i 40 km dalla superficie terrestre.
Le caratteristiche dello strumento da realizzare sono brevemente elencate di seguito:

• possibilità di effettuare operazioni autonome per alcune decine di ore, così da operare in modo indipendente su piattaforma stratosferica;
• le risorse necessarie devono essere minimizzate, per permetterne l’uso anche come esperimento secondario in lanci di pallone che prevedono uno strumento principale;
• possibilità di recuperare lo strumento per successiva analisi dei campioni e riutilizzo dello strumento con minimi riadattamenti;
• possibilità di raccogliere aerosol nell’intervallo dimensionale 0.1 – 1 mm;
• possibilità di raccogliere particelle direttamente su substrati utilizzati nellanalisi di laboratorio successive.

Lancio del pallone stratosferico con il primo prototipo dello strumento DUSTER dalla base Esrange di Kiruna (Svezia), nel gennaio 2006

Lo strumento deve essere accuratamente calibrato per poter ottenere informazioni sull’abbondanza del materiale presente in stratosfera e sulla sua distribuzione dimensionale; a causa delle diverse condizioni ambientali in stratosfera non sarà possibile utilizzare impattori commerciale (di uso comune nel monitoraggio ambientale del particolato), ma è necessario sviluppare uno studio fluidodinamico ad hoc per realizzare il disegno dello strumento. Un sistema di pompaggio è necessario per campionare il gas atmosferico contenente gli aerosol e permettere la raccolta di questi ultimi per mezzo di impattori inerziali costituiti direttamente da substrati adatti alle analisi di laboratorio che si intendono eseguire. Questo permetterà di ridurre al minimo la contaminazione successiva. Un sistema di controllo elettronico si occupa della gestione degli apparati nel modo il più autonomo possibile dai sistemi di bordo.
La completa calibrazione dello strumento si può ottenere utilizzando una camera di simulazione delle condizioni presenti nell’alta stratosfera, peraltro simili a quelle presenti sulla superficie marziana.
A regime, si potranno effettuare alcuni voli l’anno, in funzione della disponibilità di piattaforme, oppure organizzare lanci ad hoc, anche in funzione di eventi di particolare interesse (ad esempio passaggio della Terra attraverso sciami di meteoroidi cometari per la raccolta di particelle cosmiche o eruzioni vulcaniche con immissione di materiale in stratosfera per la raccolta di particelle di origine terrestre).
Le informazioni che è possibile raccogliere con questo apparato sperimentale possono essere correlate e messe in relazione con osservazioni contemporanee effettuate con apparati LIDAR o altre tecniche di osservazione degli aerosol da terra o dallo spazio, in modo che sia possibile confrontare risultati ottenuti con tecniche di remote – sensing con quelli ottenuti in situ.

Ricerca

Le polveri di origine vulcanica contribuiscono in modo determinante alla popolazione di aerosol presente nella stratosfera terrestre, con un contributo minore di particelle extraterrestri (stimate in circa il 5-10% del totale). Queste ultime hanno origine diversa, provenendo da comete e altri corpi minori, ma anche direttamente da regioni esterne al sistema solare (polvere interstellare). La caratterizzazione in laboratorio di questo materiale permetterebbe non solo di identificare la sua origine, ma anche di studiare per la prima volta alcuni tipi di materiali di origine extraterrestre.
La definizione dei parametri della popolazione di aerosol, infine, assume un ruolo importante quando si studia il sistema climatico, in relazione al lungo tempo di residenza di queste particelle nella stratosfera ed alla diffusione di esse su larga scala. Gli effetti degli aerosol stratosferici sul budget di radiazione globale dipendono dalla quantità e dal tipo di materiale immesso in atmosfera.
Il principale obiettivo di questo progetto è di realizzare la raccolta di particelle a quote maggiori di quelle sinora ampiamente monitorate dai voli stratosferici. Nonostante la bassa concentrazione totale di particelle per quote maggiori di 35 – 40 km, prevederne la raccolta è importante per diversi motivi:

• la quantità di materiale extraterrestre è maggiore che a più basse quote;
• offre la possibilità di analizzare particelle che si condensano da vapori di meteoriti a pressioni dello stesso ordine di grandezza di quelle ipotizzate nelle prime fasi della nebulosa solare, fornendo così informazioni sul processo di formazione di particelle proto-solari;
• se la raccolta viene effettuata durante ben determinate finestre di volo è possibile raccogliere particelle di polvere interstellare che sopravvivono all’ingresso dell’atmosfera terrestre;
• fornisce una buona indicazione sulla proporzione di particelle di origine vulcanica e quelle di origine extraterrestre;
• lo studio della evoluzione di particelle vulcaniche può dare indicazioni sulla struttura ed il “mixing” della stratosfera;
• campiona la popolazione di polvere presente nell’alta stratosfera e dalla caratterizzazione fisica e mineralogica permette di stabilire il possibile impatto sulle variazione climatiche.

Recupero di DUSTER nei pressi di Pokka (Finlandia) dopo il primo volo dimostrativo.

Lo strumento deve essere accuratamente calibrato per poter ottenere informazioni sull’abbondanza del materiale presente in stratosfera e sulla sua distribuzione dimensionale; a causa delle diverse condizioni ambientali in stratosfera non sarà possibile utilizzare impattori commerciale (di uso comune nel monitoraggio ambientale del particolato), ma è necessario sviluppare uno studio fluidodinamico ad hoc per realizzare il disegno dello strumento. Un sistema di pompaggio è necessario per campionare il gas atmosferico contenente gli aerosol e permettere la raccolta di questi ultimi per mezzo di impattori inerziali costituiti direttamente da substrati adatti alle analisi di laboratorio che si intendono eseguire. Questo permetterà di ridurre al minimo la contaminazione successiva. Un sistema di controllo elettronico si occupa della gestione degli apparati nel modo il più autonomo possibile dai sistemi di bordo.
I campioni stratosferici raccolti dallo strumento, una volta recuperati, possono essere completamente caratterizzati grazie alla strumentazione disponibile presso il Laboratorio di Fisica Cosmica dell’INAF-OAC e dell’Università Parthenope.

Caratteristiche (traiettoria, quota e durata) del primo volo effettuato dallo strumento DUSTER fra Svezia e Finlandia. Dati CNES.

In particolare, l’indagine FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) permette di ottenere la distribuzione dimensionale e la morfologia del campione, l’analisi EDX (Energy Dispersive X-ray) fornisce lo spettro di abbondanza degli elementi, la spettroscopia micro-IR dà informazioni sulla mineralogia. Altre analisi possono essere eseguite su campioni di particolare interesse attraverso delle collaborazioni esterne per mezzo di altre tecniche quali la Transmission Electron Microscopy (TEM), Synchrotron X-Ray Fluorescence (XRF), Synchrotron Fourier Transform (FTIR) InfraRed spectroscopy, e Secondary Ions Mass Spectrometry (SIMS).
Una prima versione dello strumento è stata realizzata, calibrata ed ha effettuato un volo tecnologico da Kiruna (Svezia) nel gennaio 2006, in collaborazione con il CNES. I risultati sono stati positivi, in quanto si è dimostrata l’efficacia dell’intera procedura di preparazione, operazioni e recupero, soprattutto per quanto riguarda il controllo di contaminazione, elemento critico di tutto il progetto. Lo strumento è ora in fase di ottimizzazione per poter sfruttare i voli programmati nei prossimi 5 anni in collaborazione con il CNRS Orleans e l’ESA.