Limitazione dell inquinamento dai detriti spaziali e applicazione di tecnologie verdi : le attivita Thales Alenia Space su Clean Space

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1 Limitazione dell inquinamento dai detriti spaziali e applicazione di tecnologie verdi : le attivita Thales Alenia Space su Clean Space Conferenza CESMA 2014 Roma, 9 Ottobre DOC-TAS-IT-003 Autori: S. Ferraris, R. Destefanis, G. Oronzo, S. Pica

2 Space Debris - Situazione attuale (1/2) 2 A partire dall inizio dell era spaziale la quantità di detriti spaziali è in costante aumento: Sputnik 1, October , Alcune recenti drammatiche collisioni, come quella tra Iridium 33 e Cosmos 2251 nel 2009, hanno contribuito a peggiorare la situazione. Ref.:

3 Space Debris - Situazione attuale (1/2) 3 Iridium 33 - Cosmos 2251 Collision FengYun1C ASAT Test Monthly Number of Objects in Earth Orbit by Object Type officially cataloged by the US SSN (Jan 2012) Ref.:

4 Space Debris - Un problema globale 4 Ref.:

5 Space Debris - Distribuzione e effetti 5 La maggior concentrazione dei detriti in orbita LEO, zone di alta densita anche in GEO e MEO. Effetti di impatto su satelliti variabili in funzione della dimensione dei detriti: Very Small (< 1 cm), Small (1 10 cm), Large (> 10 cm) Ref.:

6 Space Debris - Effetti: impatti in orbita 6 MPLM Leonardo, STS-102/5A.1 (Marzo 2001): 3 impatti. Foro nel bumper shield,1.2 mm diam (forse causato da paint flake 0.46 mm diam). No danni a MLI sottostante. 26 impatti in 5 missioni. HST Solar Cell Cratere: 3.5 mm; Foro: 0.5 mm Proiettile di Al, 12 mm diam, Velocita : 6.8 km/s

7 Space Debris - Effetti: analisi impatti in orbita (Cygnus) Pressurized Cargo Module - Orbital Science Corporation Debris flux (ORDEM2000) 7 Flight direction Debris penetrations according to ORDEM2000 Flight direction

8 Space Debris - Effetti: scudi protettivi ad altra resistenza (Columbus) 8 Columbus, 45, 6.6 km/s, 1.45 cm, 4.49 g, NP

9 Space Debris - Effetti: analisi di rischio: Sentinel-1 9 Possibili danni su equipaggiamenti sensibili Schermature e riconfigurazioni locali Uso di codici di calcolo dedicati

10 Space Debris - Effetti: manovre di Collision Avoidance COLA 10 ENVISAT: Warning: probabilita > 1 su 10,000 o distanza < 300m Manovra COLA: probabilitya > 1 su 1,000 ENVISAT Collision Warnings and Avoidance Manoeuvres ( ) ISS: 12 manovre COLA tra 1999 e manovre (piu 2 azioni di ritiro dell equipaggio nella Soyuz) da Aprile 2011 a Aprile Number of Warnings / Avaoidance Maneuuvers Year

11 Space Debris: Mitigazione 11 Rimozione di detriti esistenti (non cooperativi) e molto difficile e costosa. Le tecniche attuali necessitano di ulteriori sviluppi e test (Laser a terra, Active Debris Removal) Una opzione facile e disponibile e la: Mitigazione Evitare esplosioni (affidabilita, passivazione alla fine della missione) Evitare il rilascio di Mission Related Objects (MRO) Rimozione da GEO a un orbita cimitero (GEO km) Rimozione da LEO entro i 25 anni dopo la fine della missione Standards, leggi e linee guida prescritti da vari organismi IADC Space Debris Mitigation Guidelines" 2002 UN-COPUOS STSC "Space Debris Mitigation Guidelines 2007 ESA Space Debris Mitigation for Agency Projects 2008/2012 French Loi relative aux Opérations Spatiales (LOS, N ) ISO Standard - Space Debris Mitigation 2011 Pre

12 ADR: rimozione attiva dei detriti (1/4) 12 Secondo alcuni studi (NASA ed ESA) e necessario rimuovere attivamente 5 detriti all anno in LEO per stabilizzare la situazione: Massa (maggiore impatto ambientale in caso di collisione) Probabilita di collisione (regioni densamente popolate) Altitudine (maggiore tempo di permanenza orbitale dei detriti risultanti) Studio ESA Clean Space, edeorbit Phase A: cattura e la rimozione di un detrito di grosse dimensioni dalla zona LEO più popolata ( km): ESA ENVISAT: Valutazione di differenti metodi di cattura, rigidi o flessibili Massa: 8 ton Dimensioni 26m x 10m x 5 m Inattivo, non cooperativo, non passivato Ref.:

13 ADR: edeorbit Phase A (2/4) 13 Due possibili strategie di rimozione: Rientro controllato e Re-orbiting in orbita «cimitero» ad altitudine > 2000 km De-orbiting mission illustrated considering a Vega launch, a rendezvous phase, a target capture (with a rigid link in the picture), a deorbiting maneuver and a controlled re-entry into the Ocean. High thrust chemical propulsion required Re-orbiting mission illustrated considering a Vega launch, a rendezvous phase, a target capture (with a flexible link in the picture), a re-orbiting maneuver up to a disposal orbit. Low thrust electrical propulsion selected for Vega compatibility Ref.:

14 ADR: edeorbit Phase A (3/4) 14 Molti metodi di cattura analizzati: Flessibili (rete, arpione, ganci) Rigidi: (braccio robotico, tentacoli, clamping mechanism e relative combinazioni) Contactless (Ion Beam Shepherd (IBS), Electrodynamic Tether Effect (EDT) Tra i sistemi flessibili, la rete e l arpione sono considerati le migliori scelte: Semplicità di design RvD semplificato, accoppiamento del moto chaser-target non richiesto (rete) Possibilità di validazione funzionale con test a terra (arpione)

15 ADR: edeorbit Phase A (4/4) Vantaggi dei sistemi rigidi: Possibilita teorica di missioni multiple Minore rischio di ulteriore generazione di debris durante la cattura Più affidabili: TRL attuale più alto per le tecnologie robotiche richieste Gestione più semplice del composito «chaser-target» Svantaggi dei sistemi rigidi: Maggiormente massa e budget di potenza Requisiti stringenti sul GNC per la fase di RVD Possibile necessità di de-tumbling del target prima della cattura La soluzione del sistema di cattura verrà fatta nella fase successiva (phase B) Esempio di configurazioni robotiche / tentacoli 15 Ref.:

16 Rischio in caso di rientro 16 Delta II 2nd stage: tanica d acciaio 250 kg caduta in Georgetown, Texas, January 1999 Circa 19,000 oggetti artificiali sono rientrati attraverso l atmosfera terrestre dall inizio dell era spaziale. Più di 90,000 chili di oggetti ricadono sulla Terra ogni anno, la maggior parte di questi oggetti non sopravvive all ambiente del rientro. Nessuno persona ad oggi è stata ferita gravemente (nel 1997 una donna in Oklaoma è stata graffiata lievemente da un frammento). L incidente dello shuttle Columbia nel 2002 ha creato 84,000 frammenti dispersi su di un area di 1000x40 chilometri.

17 Rischio in caso di rientro 17 SL-4 Rocket Body 28/09/2014 N-1 Rocket Body 27/09/2014 Ariane 5 Debris 25/09/2014 SL-8 Rocket Body 23/09/2014 Cosmos /09/2014 BREEZE-M Tank 09/09/2014 Yaogan 5 02/09/2014

18 Rischio in caso di rientro: COSMOS Gennaio 1978, COSMOS 954, satellite spia con reattore nucleare caduto in Canada (Northwest Territories), disperdendo materiale radioattivo su una superficie di 124,000 km 2 Operazioni di pulizia coordinate tra USA and Canada, fino a Ottobre 1978, portarono a un recupero stimato di solo 0.1 % della sorgente nucleare e di 12 grossi frammenti del COSMOS 954. Accordo tra Canada e USSR per I danni causati il 2 Aprile 1981 per C$ 3,000,000

19 Analisi del rischio in caso di rientro 19 Rientro controllato della stazione spaziale MIR, 2001 Ref.:

20 Analisi del rischio in caso di rientro di satelliti 20 Analisi del rischio: Calcolare il rischio a terra utilizzando software dedicati (ESA DRAMA / SCARAB, NASA DAS, CNES Debrisk). Confrontare con il requisito stabilito dagli standard europei (rischio < 1:10000). Traccia a terra e traiettoria Ref.:

21 Mitigazione del rischio causato dal rientro di satelliti 21 Design for Demise (D4D) - Studio multidisciplinare di tecniche per ridurre il rischio in caso di rientro a terra di satelliti Scopo dello studio è identificare nuove tecniche e nuovi approcci al design dei satelliti, per ridurre il rischio a terra causato dal rientro incontrollato di satelliti in orbita bassa (LEO). Studio ESA della durata di 14 mesi, partito a settembre Ref.:

22 Green Technologies: Advanced Propulsion (1/3) 22 Propulsione verde I propellenti attualmente in uso sono altamente tossici e cancerogeni (e.g. Hydrazine). L uso di questi propellenti comporta alti rischi e costi associati I propellenti verdi disponibili hanno prestazioni ormai simili a quelli tradizionali Alcuni motori che usano propellenti verdi sono gia disponibili sul mercato (Aerojet and Prisma Satellite Thrusters). Propulsione elettrica Motori elettrici a ioni Xenon sono un esempio di tecnologia pulita Ref.:

23 Green Technologies: Hybrid Propulsion (2/3) 23 I motori ibridi usano propellenti in due stati differenti: uno solido e l altro liquido o gassoso L impulso specifico dei motori ibridi e piu basso dei razzi a solido ed e confrontabile con quello dei motori a liquido I motori ibridi sono pero piu sicuri di quelli a solido (operazioni e stivaggio), meno sensibili a azioni meccaniche (shock, vibrazioni) e piu versatili in quanto possono essere spenti e riaccesi Ref.:

24 Green Technologies: Additive Manufacturing (3/3) 24 Additive manufacturing (AM) e una tecnica per costruire oggetti strato per strato, usata per: Realizzare parti con prestazioni ottimizzate Uso piu efficente del materiale grezzo Riduzione delle operazioni di montaggio e del numero di parti Compatibile con produzioni a volumi ridotti Inoltre e una tecnologia potenzialmente ecologica: Processo high-end con minimizzazione del numero di operazioni Riduzione del materiale di scarto: no sprechi Alimentazione elettrica Riduzione di massa delle parti prodotte Futura possibile realizzazione in orbita di grosse strutture con riduzione del numero di lanci