La partecipazione al progetto PRISMA-polveri finanziato gestito dall’INAF-UIT nasce dall’esperienza acquisita in ambito spaziale nello studio e rilevamento di particelle di polvere micrometrica in atmosfere planetarie. Per poter definire i requisiti di performance di PRISMA, si sono, quindi, studiate le condizioni ambientali delle polveri terrestri in modo da poter definire i requisiti del prototipo tenendo conto che, le particelle di polvere sospese nell’atmosfera terrestre sono di origine sia antropica che naturale.

Dall’analisi dimensionale delle polveri atmosferiche riportata si può notare che le dimensioni delle polveri è compresa in un intervallo dimensionale di cinque ordini di grandezza compreso tra pochi nonometri ad oltre 100 micrometri. Inoltre l’analisi chimica delle polveri atmosferiche mostra che esse sono prevalentemente costituite da composti del carbonio, nitrati, solfati e da silicati. Pertanto, lo strumento dovrà misurare l’abbondanza di particelle di polvere appartenenti alla classe PM10 (Particulate Matter con dimensioni inferiori a 10 micrometri).
Per poter rispondere ai requisiti imposti dal campione atmosferico da analizzare e dalla procedura di analisi scelta, ovvero di monitoraggio continuo della distribuzione dimensionale e raccolta delle polveri durante volo di veivolo teleguidato, lo strumento sarà composto da un sistema di campionamento aerodinamico, sensore ottico e da un sensore piezoelettrico di polveri.
Nell’ambito del progetto si sono svolte le seguenti attività:

• definizione dei requisiti di performance dello strumento (ambito di applicazione, risoluzione e sensibilità);
• definizione dei requisiti tecnici (massa, volume, potenza) del prototipo;
• disegno del prototipo;
• fornitura e realizzazione delle parti;
• assemblaggio del prototipo e test in laboratorio.

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Il prodotto è un dispositivo per il monitoraggio di polveri sottili che possa essere integrato a bordo di un velivolo teleguidato, con lo scopo di analizzare in situ e raccogliere per analisi successive polveri vulcaniche ed atmosferiche.
Il sistema è composto da un sensore ottico per la determinazione della distribuzione dimensionale delle particelle e da un sensore piezoelettrico per la determinazione della concentrazione in massa della polvere atmosferica. I dati misurati dal sensore saranno trasmessi in tempo reale a Terra.
Il prodotto è sviluppato in modo da poter essere integrato in un pacchetto di sensori, a bordo di un velivolo teleguidato allo scopo di effettuare monitoraggio ambientale in zone di difficile accesso all’uomo (zone vulcaniche, aree ad alta radioattività, aree investite da incendi, aree colpite da incidenti chimici, etc.).

Il prodotto è progettato sulla base del know-how sviluppato dal LFCP dell’INAF-OAC per la realizzazione di sistemi per lo studio e la raccolta di polveri per applicazioni spaziali, sotto la gestione tecnica dalla Novaetech s.r.l. e verrà realizzato con la partecipazione della Marotta s.r.l., della Galileo Avionica s.p.a. e della Techno-System s.r.l.. Grazie all’analisi delle polveri, il prodotto risulta complementare a pacchetti di monitoraggio ambientale, implementabili su velivolo teleguidato, e, quindi, di elevato interesse per applicazioni in ambito protezione civile, geofisico, meteorologico, ambientale.

La componente meccanica è stata sviluppata in maniera tale da poter contenere al massimo le dimensioni dello strumento continuando a soddisfare i requisiti di misura teorici e tecnici. L’ottimizzazione della configurazione meccanica ha così permesso di ottenere alte performance scientifiche con il minor dispendio di risorse in termini di massa e volume.
Il sensore ottico è costituito da un Optical Particle Counter che permette di rilevare particelle con dimensioni comprese tra 0.5 e 10 micrometri. Il sistema è costituito da fascio di luce prodotto da un diodo laser collimato da un sistema di ottiche in modo da ottenere una lama di luce di dimensioni 4×4×0.1 mm. La luce laser è, quindi, diretta in modo da illuminare il tubo di flusso di particelle prodotto dal sistema aerodinamico. Il sistema ottico è costituito dalla sorgente laser, l’area di diffusione, l’ottica di raccolta e dal rivelatore.
La sorgente di illuminazione è costituita da un diodo laser che emette una luce monocromatica alla lunghezza d’onda di 800 nm con una potenza ottica di 0.5 W e di potenza elettrica 1.5W. Il fascio è emesso entro un rettangolo di dimensioni 150×1 micrometri con due angoli di emissione divergenti in due piani ortogonali rispettivamente di 9 e 42 deg. Il sistema ottico di collimazione è stato progettato in modo da lavorare con concentrazioni di particelle di diverse centinaia per cm³ prima che gli effetti di coincidenza inizino a diventare dominanti.
Diverse configurazioni geometriche sono state studiate con più di uno specchio e con specchi di forma sia sferica che ellittica. Nella configurazione finale è stato utilizzato un solo specchio sferico di raccolta nella direzione di diffusione anteriore. Lo specchio permette di focalizzare sul fotodiodo la radiazione raccolta entro gli angoli compresi tra 6 e 30 deg. Il sensore di polvere è una QCM con cristalli che hanno una frequenza di risonanza di 6 MHz che presenta un buon compromesso tra sensibilità e tempo di vita del sensore. La misura del sensore piezoelettrico QCM procederà attraverso acquisizioni discrete di massa di polvere che indurranno variazioni in frequenza Δν. Le condizioni di operatività dipenderanno dalle condizioni ambientali della regione campionata e dalle caratteristiche del velivolo utilizzato.