RELAZIONE. Titolo Esperimento ALLA RICERCA DELLA ZONA DI ABITABILITA

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1 RELAZIONE Titolo Esperimento ALLA RICERCA DELLA ZONA DI ABITABILITA Introduzione e Descrizione del fenomeno illustrato Lo scopo del progetto è quello di far capire il significato di zona di abitabilità di una stella e di determinare, attraverso un semplice modello, come variano posizione e dimensione di tale zona in base alla luminosità delle stelle. La zona abitabile Zona abitabile è il termine scientifico per indicare la regione intorno ad una stella dove è teoricamente possibile la vita. Il concetto è basato sulle condizioni favorevoli alla vita sulla Terra, dove l'acqua liquida è essenziale per tutte le forme di vita conosciute; quindi i pianeti in grado di avere acqua liquida in superficie sono considerati tra i più favorevoli per ospitare vita extraterrestre. Perché questo sia possibile la temperatura deve essere compresa tra il punto di congelamento dell'acqua e il suo punto di ebollizione, cioè maggiore di 0 C (273 K) e minore di 100 C (373 K). La temperatura di un pianeta dipende dalla sua distanza dalla propria stella madre e dalla luminosità di quest'ultima, ed è condizionata dalla presenza di un atmosfera. Per cui la zona di abitabilità di una stella dipende dalla sua luminosità; maggiore è la sua luminosità maggiori saranno la distanza della sua

2 zona abitabile, l'estensione della sua zona abitabile e il numero di pianeti che possono trovarsi in quella zona. Quindi più una stella è luminosa più alto sarà il numero dei suoi pianeti sui quali è possibile la vita. Tuttavia è possibile che esistano pianeti abitabili al di fuori della suddetta zona, infatti la teoria della zona abitabile non prende in considerazione il fatto che potrebbero esistere zone abitabili in cui altri composti diversi dall'acqua, come l'ammoniaca e il metano, possono esistere in forme liquide stabili. Le stelle analizzate Come è ora chiaro, la zona di abitabilità dipende dalla tipologia di stella analizzata. In studi recenti, gli scienziati stanno analizzando il cosmo alla ricerca di vita attorno alle stelle con caratteristiche simili a quelle del nostro Sole. Per questo motivo noi abbiamo ristretto la ricerca a quattro stelle la cui luminosità non si discostasse molto da quella del sole. In particolare nel nostro esperimento abbiamo considerato 4 stelle madri con le seguenti caratteristiche: 1 stella con luminosità corrispondente a 0,3 luminosità solari; colore arancione - rosso temperatura superficiale <3700K lampadina utilizzata Potenza 20W corrispondente a 235 lm (lumen) 2 stella con luminosità corrispondete alla luminosità solare; colore giallo temperatura superficiale K lampadina utilizzata Potenza 46W corrispondente a 700 lm (lumen) 3 stella con luminosità corrispondente a 2 luminosità solari; colore giallo bianco temperatura superficiale K lampadina utilizzata Potenza 77W corrispondente a 1320 lm (lumen) 4 stella con luminosità corrispondete a 3 luminosità solari bianco - azzurro temperatura superficiale T >7500K lampadina utilizzata Potenza 116W corrispondente a 2135 lm (lumen). Descrizione dell apparato sperimentale, materiale utilizzato, altre caratteristiche specifiche

3 Il progetto sperimentale è realizzato allo scopo di determinare la zona di abitabilità di alcune stelle rappresentate da altrettante lampadine di luminosità differente. Abbiamo, allo scopo, realizzato un robot mobile (ROVER) utilizzando mattoncini della serie LEGO NXT MINDSTORMS. Il rover, dotato del mattonino NXT può essere programmato attraverso un software fornito dalla stessa LEGO. In questo progetto abbiamo programmato il robot per muoversi di 12,5 cm (una rotazione completa delle ruote) ad ogni pressione del sensore di contatto (touch sensor) e registrare la luminosità emessa dalla sorgente grazie al sensore di luce (light sensor). Ogni misura è stata poi riportata in una tabella e con tutti i dati raccolti a b b i a m o determinato le corrispondenti zone di abitabilità. Successivamente, sulla base dei dati relativi al nostro sistema solare rappresentato dalla lampadina con luminosità di 700 lm, abbiamo ipotizzato quanti pianeti avrebbero potuto esistere all'interno di ogni zona di abitabilità. Infine, ne abbiamo realizzato una possibile rappresentazione tridimensionale usando delle palline di polistirolo opportunamente modificate e colorate. Il risultato finale è un plastico in cartongesso (riprodotto in legno per poter essere trasportato alla mostra Sperimentando 2017) con raffigurare le zone abitabili e i corrispondenti pianeti. Alcune fasi della realizzazione del plastico

4 Il rover Il rover che è stato utilizzato per i test nasce da un progetto che abbiamo trovato su internet e che abbiamo modificato ad hoc per le nostre esigenze. In particolare al robot mobile iniziale abbiamo aggiunto due sensori uno di luminosità e uno di contatto. Il primo ha la funzione di misurare la luminosità emessa dalla lampadina (stella madre) mentre il secondo di azione i motori del robot per farlo avanzare dopo che abbiamo effettuato la lettura. Materiale utilizzatore la realizzazione del rover Mattoncino programmabile NXT LEGO MINDSTORMS n 2 motori sensore di luminosità sensore di contatto cavetti di collegamento mattoncini LEGO serie TECHNICS pila ricaricabile NXT trasformatore Istruzioni costruzione rover base

5 La base del progetto La base di cartongesso dove si muove il rover. Rappresenta la parte del cosmo all'interno sulla quale abbiamo determinato la zona di abitabilità delle varie stelle. ll "porta stelle" Il "porta stelle" è un portalampada realizzato dagli studenti collegando opportunamente componenti elettrici acquistati in una ferramenta. Le stelle La lampadina da 235 lm (lumen) che rappresenta una stella con le seguenti caratteristiche: La lampadina da 700 lm (lumen) che rappresenta una stella con le seguenti caratteristiche: La lampadina da lm (lumen) che rappresenta una stella con le seguenti caratteristiche: La lampadina da 2135 lm (lumen) che rappresenta una stella con le seguenti caratteristiche:

6 I sensori utilizzati per l'esperimento Il sensore light capace di misurare la luminosità emessa da una sorgente. La misura viene fornita come percentuale rispetto ad un valore di riferimento fornito dalla LEGO. Il sensore touch permette al robot di svolgere una funzione ogni volta che questo viene premuto. Nel programma da noi realizzato, il robot indietreggia di 12,5 cm ad ogni pressione del sensore. Il software Il rover è realizzato con i mattoncini NXT LEGO MINDSTORMS e viene programmato attraverso un software fornito insieme al kit LEGO. Il programma è tipo DRAG AND DROP e non prevede alcuna conoscenza di alcun linguaggio di programmazione e per questo facilmente utilizzabile da noi (lo abbiamo imparato durante i corsi di robotica tenuti presso il nostro istituto).

7 Nei test di laboratorio abbiamo considerato ABITABILE la zona avente una luminosità compresa tra 70-90% del valore misurato dal rover. Il programma utilizzato dal rover per eseguire le misure: Eventuali misure e risultati ottenuti I dati ricavati dall esperimento sono riportati nella tabella.

8 I dati sono stati riportati, poi, in grafici cartesiani. Dall analisi della tabella e dei grafici è possibile determinare le zone di abitabilità per ogni stella considerata. 1 lampadina 235 lm stella corrispondente luminosità 0,3 luminosità solari

9 intervallo compreso tra 2 e 3 rotazioni corrispondete ad una distanza tra 0,4 e 0,6 UA. 2 stella lampadina 700 lm stella corrispondente luminosità 0,3 luminosità solari intervallo compreso tra 4 e 7 rotazioni corrispondete ad una distanza tra 0,8 e 1,4 UA. 3 stella lampadina 1325 lm stella corrispondente luminosità 0,3 luminosità solari intervallo compreso tra 5 e 9 rotazioni corrispondete ad una distanza tra 1,0 e 1,8 UA. 4 stella lampadina 2130 lm stella corrispondente luminosità 0,3 luminosità solari intervallo compreso tra 6 e 12 rotazioni corrispondete ad una distanza tra 1,2 e 2,4 UA. Alcune fasi di determinazione delle zone di abitabilità sul plastico Calcolo del numero di esopianeti Per calcolare il numero di possibili esopianeti presenti nelle varie zone di abitabilità prendiamo come punto di partenza i dati che possiamo raccogliere relativamente al nostro sistema solare. Se analizziamo l'immagine sottostante possiamo osservare che all'interno della zona di abitabilità creata dal nostro Sole abbiamo un solo pianeta: la nostra Terra. Sulla base di questa semplice osservazione possiamo allora ipotizzare il numero di pianeti presenti all'interno delle varie zone di abitabilità. Per fare questo ragioniamo nel seguente modo. determiniamo l'area della corona circolare tra il il raggio minimo e quello massimo determinato dagli esperimenti eseguiti

10 realizziamo una proporzione che permette di determinare il numero di pianeti sulla base della considerazione che esiste una proporzionalità diretta tra dimensioni della zona abitabile e numero di pianeti stesso. Proporzione usata 1 pianeta : dimensione dell'area della corona circolare che comprende la zona di abitabilità del Sole = x pianeti : dimensione dell'area della corona circolare che comprende la zona di abitabilità della stella considerata 1 lampadina (stella con temperatura inferiore a 3700K) Luminosità 0,3 luminosità solari raggio interno zona di abitabilità 0,4 UA raggio esterno zona di abitabilità 0,6 UA 1 pianeta : 3,14x(1,4^2-0,8^2) = x pianeti : 3,14x(0,6^2-0,4^2) x pianeti = 0,2 pianeti Possiamo concludere che non esistono pianeti all'interno della zona di abitabilità 2 lampadina (stella con temperatura compresa tra K) Luminosità 1 luminosità solari raggio interno zona di abitabilità 0,8 UA raggio esterno zona di abitabilità 1,4 UA. E il caso del Sole per cui abbiamo un solo pianeta nella zona di abitabilità. 3 lampadina (stella con temperatura compresa tra K) Luminosità 2 luminosità solari raggio interno zona di abitabilità 1,0 UA raggio esterno zona di abitabilità 1,8 UA 1 pianeta : 3,14x(1,4^2-0,8^2) = x pianeti : 3,14x(1,8^2-1,0^2) x pianeti = 1,7 pianeti

11 Possiamo concludere esistono circa 2 pianeti all'interno della zona di abitabilità. 4 lampadina (stella con temperatura maggiore di 7500K) Luminosità 3 luminosità solari raggio interno zona di abitabilità 1,2 UA raggio esterno zona di abitabilità 2,4 UA 1 pianeta : 3,14x(1,4^2-0,8^2) = x pianeti : 3,14x(1,2^2-2,4^2) x pianeti =3,3 pianeti Possiamo concludere che esistono circa 3 pianeti all'interno della zona di abitabilità. Schema riassuntivo dei risultati ottenuti.

12 Bibliografia e sitografia Lezioni NASA Education Appunti del prof. Bubani Astrobiology math NASA Education Scuola: IC ANTONIO PISANO DI CALDIERO - SCUOLA SECONARIA DI PRIMO GRADO DI BELFIORE Docente referente: PROF. MASSIMO BUBANI Numero studenti: 2 Elenco studenti e classe di riferimento: CARLO MOLINAROLI - LUCA BENIN CLASSE IIIB