ReDSHIFT Revolutionary Design of Spacecraft through Holistic Integration of Future Technologies

Transcript

1 ReDSHIFT Revolutionary Design of Spacecraft through Holistic Integration of Future Technologies Alessandro Rossi IFAC-CNR, Sesto Fiorentino, Italy Auditorium S. Apollonia, Firenze, 2/2/2016

2 IL CONTESTO Qualche numero... Circa oggetti più grandi di 10 cm: 7% : satelliti operativi 18 %: satelliti non operativi; 14 %: stadi superiori di razzi; 61 %: detriti.

3 LA CALL: PROTEC , PASSIVE MEANS TO REDUCE THE IMPACT OF SPACE DEBRIS La sfida specifica: ridurre l impatto delle collisioni tra satelliti attivi e detriti orbitanti è una sfida che va affrontata a diversi livelli Prevenzione, evitare di aggiungere nuovi detriti alla popolazione esistente. 2. Mitigazione, in particolare soluzioni per il de-orbiting dei satelliti e degli stadi superiori alla fine della vita operativa. 3. Protezione, cioè schermare i satelliti contro impatti da piccoli detriti.

4 LA CALL: PROTEC , PASSIVE MEANS TO REDUCE THE IMPACT OF SPACE DEBRIS Scopo: Sviluppare e testare concetti e tecnologie adatte al de-orbiting sicuro e all eliminazione degli oggetti spaziali,... Si devono considerare anche la pianificazione del de-orbiting al termine della vita operativa o l eliminazione sicura dei nuovi satelliti e stadi di razzi, così come aspetti non tecnici, inclusi poblemi legali. Impatto atteso: Disegni di sistema innovativi e soluzioni economicamente vantaggiose, che permettano disegni scalabili, per l eliminazione al termine della missione di satelliti e stadi superiori, che siano in linea o eccedano i requisiti delle linee guida internazionali ed europee.

5 IL CONSORZIO

6 IL PROGETTO: DALLA CULLA ALLA TOMBA Simulazioni: simulare l evoluzione dell attuale ambiente detritico sotto l effetto delle procedure standard di gestione delle missioni e, in seguito, ripetere con le procedure avanzate, da noi proposte. Astrodinamica: realizzare una cartografia dello spazio delle fasi nella vicinanza della terra, alla ricerca delle autostrade per il de-orbiting (accopiate con mezzi di propulsione non standard), utilizzando strumenti avanzati di meccanica celeste ed astrodinamica. Stampa in 3D: produrre e testare prototipi di piccoli satelliti (o parti di) con soluzioni innovative (protezione, design-for-demise,...) basati sui risultati teorici. Contesto legale: proporre miglioramenti alle attuali linee guida per la mitigazione, sulla base dei risultati ottenuti nell intero progetto.

7 EVOLUZIONE A LUNGO TERMINE Modelli al calcolatore permettono di simulare i meccanismi responsabili dell evoluzione della popolazione degli oggetti spaziali in orbita terrestre (per es., lanci, esplosioni, collisioni, evoluzione orbitale, rientro atmosferico, rimozione di detriti, etc.) Le simulazioni a lungo termine dell ambiente saranno propedeutiche alla maggior parte del lavoro del progetto per: dapprima, verificare l efficacia delle attuali tecnologie e misure di mitigazione. individuare gli eventuali rischi aggiuntivi connessi ai nuovi trend nell utilizzo dello spazio: mega costellazioni di satelliti (oltre 1000 satelliti) per internet a banda larga e utilizzo di mini-satelliti. Più tardi nel progetto, le simulazioni verranno utilizzate per la valutazione dei benefici connessi con le soluzioni tecnologiche trovate.

8 ASTRODINAMICA: SFRUTTARE LE INSTABILITÀ La scelta tecnologica dei dispositivi più efficaci per spostare gli oggetti spaziali verso traiettorie di rientro atmosferico o verso orbite cimitero, in accordo con le attuali regolamentazioni, deve essere basata sulla comprensione della dinamica globale della regione ove orbitano questi oggetti. Uno degli scopi primari di ReDSHIFT è l analisi, con i moderni strumenti teorici dell astrodinamica, dell intero spazio circumterrestre, al fine di individuare le autostrade per il de-orbiting.

9 ASTRODINAMICA: SFRUTTARE LE INSTABILITÀ Queste autostrade verranno individuate su mappe globali dinamiche, di grande importanza per i pianificatori delle future missioni, gli sviluppatori tecnologici e gli operatori spaziali.

10 ASTRODINAMICA: SFRUTTARE LE INSTABILITÀ Una volta realizzata la cartina della zona orbitale, sarà possibile conoscere qual è l uscita più vicina dell autostrada, in termini di spazio e tempo, e se (e come) il nostro satellite è in grado di raggiungerla.

11 ASTRODINAMICA: SFRUTTARE LE INSTABILITÀ Identificare le regioni con moto regolare e stabile e quelle con comportamenti caotici.

12 Intro A STRODINAMICA : SFRUTTARE LE INSTABILIT A` I E` fondamentale capire se e quando un oggetto su una certa orbita e` in grado di spostarsi in maniera naturale verso il rientro o se e` necessaria una manovra orbitale. Varieta` stabile (blu) e instabile (rossa) di un orbita halo intorno al punto L1 del sistem Terra-Sole

13 DE-ORBITING CON VELE SOLARI Se è necessaria una manovra di dovrà valutare quale tipo di spinta (per es., impulsiva, propulsione elettrica, meccanismi di aumento dell area per sfruttare la pressione di radiazione, etc.) può essere applicata per raggiungere l uscita e quali implicazioni ha questo sullo sviluppo tecnologico da affrontare. Verranno identificate le migliori tecnologie per sfruttare al meglio i risultati della dinamica, per ogni regione orbitale e tipo di missione. Un attenzione particolare verrà comunque rivolta all uso di vele solari e dispositivi per l aumento della resistenza atmosferica, in quanto tecnologie passive. La dinamica del composito satellite-vela, sia per effetto della pressione di radiazione sia per effetto del frenamento atmosferico, verrà studiata nei diversi regimi orbitali, avendo in mente i requisiti dettati dalla cartografia dinamica.

14 Intro D E - ORBITING CON VELE SOLARI

15 DE-ORBITING CON VELE SOLARI

16 STAMPA 3D: VANTAGGI Esplorare le possibilità offerte dalla stampa 3D nel disegnare,produrre e testare (a terra) piccoli satelliti e soluzioni avanzare per la protezione, riduzione della produzione di frammenti a seguito di impatti, distruzione totale al rientro e aspetti globali di mitigazione. La stampa 3D è una tecnica relativamente economica e veloce per la produzione sia di semplici parti ripetitive che di componenti complesse, multimateriale. Un notevole numero di prototipi può essere rapidamente prodotto, con ripetibilità assicurata (e.g., interfaccia con le vele solari). La stampa 3D permette di produrre oggetti di dimensione limitata, anche se questi limiti vengono continuamente aumentati. ReDSHIFT studierà la scalabilità dei design proposti.

17 STAMPA 3D: PROTOTIPI IN METALLO

18 STAMPA 3D: PROTOTIPI IN METALLO

19 STAMPA 3D: PROTOTIPI IN METALLO

20 STAMPA 3D: STRUCTRONICS

21 DESIGN FOR DEMISE Alcune parti di satelliti e, più frequentemente, di stadi superiori sono in grado di sopravvivere al rientro atmosferico e di raggiungere intatti il suolo.

22 DESIGN FOR DEMISE Non ci sono notizie di danni a persone causati da oggetti rientrati dallo spazio. Si stima che la probabilità che un individuo sia ferito da un detrito è minore di una parte su (la probabilità che un residente negli USA sia colpito da un fulmine è circa 1 su 1.4 milioni).

23 DESIGN FOR DEMISE Rientri incontrollati sono permessi a condizione che non si ecceda il massimo rischio di morte per una persona di I rientri controllati devono essere mirati alle aree oceaniche qualora il rischio atteso superi la soglia indicata. Al fine di ridurre il rischio, e di aumentare la massa degli oggetti che si possono eliminare con rientri incontrollati, l eliminazione di un satellite va pianificata già in fase di design. Si ricercheranno e proveranno materiali e design in grado di distruggersi completamente durante il rientro.

24 DESIGN FOR DEMISE DLR L2K: galleria del vento con riscaldatore elettrico ad arco (flussi di calore dell ordine di 1 MW/m 2 )

25 TEST: IMPATTI A IPERVELOCITÀ I materiali stampati in 3D e parti della vela saranno usati come bersagli per test di impatto ad ipervelocità per validare sia la resistenza che le capacità di pre-fratturazione dei materiali compositi. Cannone a gas leggeri, CISAS: camere di volo e di impatto.

26 TEST: IMPATTI A IPERVELOCITÀ

27 TEST: RADIAZIONI I satelliti e materiali stampati in 3D subiranno i test standard strutturali, acustici, vibrazionali, termici, etc. in laboratori specializzati [in Italia (Padova), Germania, Spagna e Portogallo]. Camera di irraggiamento SIRAD (sinistra) e sistema IEEM (destra)

28 Intro S OFTWARE

29 ASPETTI LEGALI E NORMATIVI Gli aspetti normativo/legali/economici sono estremamente delicati e spesso trascurati quando si trattano i problemi dei detriti spaziali e in questo modo si sviliscono gli effetti di ogni azione intrapresa.

30 ASPETTI LEGALI E NORMATIVI Gli aspetti normativo/legali/economici sono estremamente delicati e spesso trascurati quando si trattano i problemi dei detriti spaziali e in questo modo si sviliscono gli effetti di ogni azione intrapresa. L applicazione ed il rispetto delle regole esistenti è complicata dal fatto che le linee guida non sono legalmente vincolanti (cioè non ci sono conseguenze legali per la loro eventuale non applicazione) ma sono solo raccomandazioni volontarie.

31 ASPETTI LEGALI E NORMATIVI Gli aspetti normativo/legali/economici sono estremamente delicati e spesso trascurati quando si trattano i problemi dei detriti spaziali e in questo modo si sviliscono gli effetti di ogni azione intrapresa. L applicazione ed il rispetto delle regole esistenti è complicata dal fatto che le linee guida non sono legalmente vincolanti (cioè non ci sono conseguenze legali per la loro eventuale non applicazione) ma sono solo raccomandazioni volontarie. L Art. IX del Trattato dello Spazio Esterno si può considerare la base della protezione ambientale dello spazio esterno: esso stabilisce che contaminazioni dannose e cambiamenti avversi dell ambiente terrestre andrebbero evitati.

32 ASPETTI LEGALI E NORMATIVI Alcuni paesi europei si sono mossi con azioni normative individuali: United Kingdom s Outer Space Act, Germania (regole obbligatorie per progetti a guida della DLR), French Space Act, European Code of Conduct del 2004, ESA Space Debris Mitigation Guidelines. Da un punto di vista economico, vi sono soprattutto considerazioni di costi e competizione economica che si frappongono all applicazione delle linee guida. Strumenti di indirizzo comparabili alle emissions trading nelle politiche ambientali potrebbero essere le cosidette steering taxes, anche se l applicazione di queste opzioni è estremamente delicata e con effetti di assai difficile prevedibilità, dal momento che lo spazio è un mercato globale, competititvo e abbastanza esclusivo a causa degli elevati costi coinvolti.

33 ASPETTI LEGALI E NORMATIVI ReDSHIFT esplorerà come i nuovi design, tecnologie e regole possono favorire specifici aspetti di questa economia. Di fatto nell environmental economy vi sono chiare evidenze che, contrariamente alle credenze comuni ed alle aspettative iniziali, nuove regolamentazioni spesso favoriscono l innovazione spingendo l imprenditoria a muoversi dallo status quo verso nuove, spesso assai redditizie, soluzioni tecniche innovative. Il nuovo modo di disegnare e produrre satelliti, unito alla pianificazione innovativa delle missioni, verrà tradotto in nuove linee guida per la rimozione a fine vita dei satelliti.

34 DISSEMINAZIONE DEI RISULTATI La diffusione dei risultati dei progetti è una priorità assoluta della Comunità Europea. Software specifico liberamente accessibile dal web per la pianificazione preliminare di missioni spaziali debris compliant. Diffusione dei risultati a vari livelli: Agenzie spaziali Comitati internazionali: Inter-Agency Space Debris Coordination Committee (IADC), UN COPUOS, International Organization for Standardization (ISO); Industrie europee. Università e scuole del territorio; Pubblico generico (caffe scienza, conferenze pubbliche,...).