La scienza missilistica è davvero così complicata? In inglese esiste il detto "Non è scienza missilistica" – in italiano diremmo "Non è una cosa così complicata" – che sembrerebbe sottintendere la difficoltà di questa materia. E, avviso spoiler: si tratta di qualcosa che è davvero complicato, anche per gli ingegneri aerospaziali. La scienza missilistica, il mantenere qualcosa nello spazio e la realizzazione di satelliti sono imprese molto problematiche. Questo articolo spiega perché lo spazio è un luogo estremamente impegnativo per i sistemi elettronici. Vedremo come abbiamo superato alcune delle sfide più difficili per raggiungere lo spazio e rimanervi e metteremo in evidenza alcuni dei nostri componenti più collaudati e pronti per lo spazio.
Raggiungere lo spazio
Per alcuni componenti, la parte più difficile dell'aerospazio è effettivamente arrivare fino lì. Gli esseri umani hanno fatto un lavoro eccezionale nell'ottimizzare la velocità e la comodità dei viaggi qui sulla Terra, si pensi alle sospensioni Rolls Royce e ai lussuosi sedili dei jet privati. Ma i viaggi nello spazio devono ancora assistere a un boom della "comodità". In definitiva, la sfida più grande per arrivare nello spazio sono le vibrazioni e l'accelerazione legate al lancio di un razzo. Con l'attuale tecnologia dei razzi, molti componenti vengono testati fino a 14 Grms qui sulla Terra per garantire che possano resistere alla straordinaria forza, al movimento, alle vibrazioni e ai suoni associati al lancio di un razzo. Poiché tutti i satelliti attualmente arrivano nello spazio tramite lanci di razzi, i satelliti stessi devono essere progettati per resistere alle stesse forze estreme a cui è sottoposto il razzo. In pratica, la scienza che si occupa dei satelliti è altrettanto (se non più) difficile della scienza missilistica.
Molti componenti, come i semiconduttori, funzionano sorprendentemente bene in condizioni di vibrazioni e accelerazioni estreme. Tuttavia, è necessario prestare particolare attenzione al fissaggio di questi componenti. I loro collegamenti possono costituire dei punti di guasto a causa delle forti vibrazioni. D'altra parte, i componenti elettromeccanici sono particolarmente soggetti a guasti durante l'evento di lancio e meno esposti alle avarie una volta nello spazio. In questo caso, è necessario prestare particolare attenzione quando si selezionano le interconnessioni da utilizzare nei connettori aerospaziali, poiché devono essere in grado di resistere a eventi molto più impegnativi rispetto alla maggior parte dei connettori sulla Terra. Un fantastico esempio di connettore aerospaziale all'avanguardia è MIL-DTL-38999 Series III di Amphenol Aerospace, che è in grado di funzionare con forti vibrazioni ad alta temperatura fino a 200 °C e vanta anche molte altre funzionalità adatte al settore aerospaziale. Fortunatamente, queste vibrazioni non sono fattori di progettazione permanenti di cui gli ingegneri devono preoccuparsi: l'accelerazione alla velocità orbitale può essere raggiunta in pochi minuti.
Un'altra considerazione progettuale per i viaggi nello spazio è quella relativa alla resistenza agli shock termici di un componente. Un viaggio dalla costa umida e soleggiata della Florida, dove avvengono molti lanci di razzi statunitensi, al gelido spazio, dove la temperatura è pari a -100 °C (-148 °F), può essere estremamente impegnativo per i materiali particolarmente conduttivi dal punto di vista termico. Ciò è dovuto al fatto che tali materiali possono subire repentine variazioni di temperatura, che possono creare stress catastrofici all'interno del materiale.
L'ambiente dello spazio
Una volta che un satellite è nello spazio, tuttavia, è necessario valutare considerazioni progettuali completamente diverse per l'ambiente in cui rimarrà. Proprio come l'ecosistema dell'Islanda è diverso dall'ecosistema della Polinesia francese qui sulla Terra, l'ambiente spaziale varia notevolmente, a seconda della sua distanza dal nostro pianeta. A seconda di dove si troverà un sistema elettronico nello spazio, è necessario tenere presente considerazioni molto diverse per soddisfare le sfide presentate da tale ambiente.
La pressione nello spazio
Lo spazio è vuoto. Contiene una pressione relativamente pari a zero rispetto alla pressione atmosferica sulla Terra. Tutto ciò che è presente in un satellite è prodotto sulla Terra, quindi adotta intrinsecamente le pressioni atmosferiche sperimentate durante la produzione. Tuttavia, quando questi componenti vengono a trovarsi nel vuoto, possono funzionare in modo molto diverso rispetto a quando sono sottoposti alla pressione atmosferica. Per garantire che i componenti resistano nello spazio, ognuno di essi deve essere testato in una camera termovuoto (TVAC, Thermal Vacuum Chamber) che simula le condizioni di temperatura e assenza di pressione dello spazio. Ad esempio, se, a causa di un difetto di fabbricazione, la gomma isolante che riveste un connettore dovesse avere una piccola bolla d'aria al suo interno, tale bolla potrebbe potenzialmente generare un'esplosione catastrofica in condizioni di vuoto.
Inoltre, tutti i materiali liberano dei gas quando si trovano nel vuoto, rilasciando quantità relativamente significative di materiale gassoso e ciò può ostacolare considerevolmente i componenti adiacenti. Ad esempio, i materiali degassati possono rivestire gli array termici o solari. Ciò può influire negativamente sull'efficienza, appannare i sensori o le ottiche e persino compromettere le proprietà termiche essenziali dei materiali adiacenti. Spesso, per ridurre la quantità di materiale degassato rilasciato nello spazio, i materiali dei satelliti e i componenti elettrici vengono degassati nelle camere TVAC prima di essere inviati nello spazio.
Degradazione UV
La maggior parte dei satelliti in orbita terrestre bassa, inclusa la Stazione Spaziale Internazionale, si trovano all'interno della termosfera. In quest'area, la degradazione UV influenza negativamente le proprietà dei materiali dei componenti elettronici. La degradazione UV può persino modificare la composizione molecolare dei materiali, in particolare rimuovendo gli atomi di ossigeno dai materiali che lo contengono. Di conseguenza, i sottosistemi di controllo termico potrebbero non funzionare correttamente, le ottiche possono risultare degradate e gli array solari possono diventare meno efficienti. I satelliti che opereranno in un'orbita terrestre bassa devono utilizzare speciali schermature UV per i propri sistemi elettronici, in modo da garantire che non si verifichi alcuna degradazione UV che renda i componenti inutilizzabili.
Presenza di particelle
La termosfera si trova all'incirca tra gli 85 e i 500 km sopra la superficie terrestre, ma l'intero ambiente neutro è compreso tra i 100 e i 1.000 km e include sia la termosfera che l'esosfera. In questo ambiente sono presenti una grande quantità di molecole di ossigeno, azoto ed elio. Tuttavia, la stessa energia UV del sole che causa la degradazione UV sui materiali dei satelliti provoca anche la degradazione molecolare di ossigeno, azoto ed elio, formandone le rispettive versioni atomiche. L'ossigeno atomico può ossidare i veicoli spaziali, provocando la conseguente erosione dei materiali. Pertanto, è necessario prendere precauzioni speciali nella selezione dei componenti, a seconda della loro esposizione all'ambiente spaziale.
Presenza di ioni
In due aree specifiche dello spazio vicino alla Terra, chiamate fasce di Van Allen, elettroni e ioni sono intrappolati in fasce specifiche del campo magnetico terrestre. Queste fasce si trovano tra 500 e 6.000 km e tra 13.000 e 60.000 km dalla superficie terrestre. Queste condizioni creano un ambiente plasmatico, formato da particelle caricate dal sole che interagiscono con gli atomi, creando ioni ed elettroni liberi. Queste particelle cariche intrappolate nel campo magnetico terrestre possono posarsi sui satelliti e creare un accumulo di carica simile all'elettricità statica (come quando si strofinano i piedi su un tappeto). Se questo accumulo si verifica in aree isolate del satellite, può svilupparsi un gradiente elettrico e la corrente accumulata può, alla lunga, creare un arco. Molti componenti elettronici sono estremamente sensibili alla formazione di archi elettrici, quindi è necessario adottare precauzioni particolari per i layout dei sistemi elettronici al fine di prevenire la formazione di archi elettrici catastrofici.
Ambiente con radiazioni
Sulla Terra, le radiazioni solari vengono generalmente assorbite dalle particelle presenti nell'atmosfera e alcuni strati della nostra atmosfera assorbono tipi specifici di radiazioni. Tuttavia, alcune orbite satellitari sono soggette ad ambienti con radiazioni molto elevate. Ciò può creare condizioni indesiderate in cui un singolo protone o neutrone oppure gli elettroni, rilasciati dal sole o dai raggi cosmici galattici, possono passare attraverso i materiali. La fonte più comune di disturbi da singolo evento sono i raggi cosmici galattici, ma possono esistere anche altre forme di esposizione a queste particelle cariche. I satelliti che orbitano al di fuori della magnetosfera terrestre sono particolarmente soggetti a questi ambienti in cui sono presenti radiazioni di particelle libere. La magnetosfera, in genere, protegge la Terra da questi eventi legati alle radiazioni. I satelliti che si trovano a una quota inferiore e hanno un'inclinazione orbitale minore hanno meno probabilità di subire gli effetti degli eventi solari, poiché sono ben protetti dalla magnetosfera.
Sfortunatamente, queste particelle libere sono in grado di causare un disturbo da singolo evento (facendo passare uno 0 binario a un 1), il che significa che un sensore può segnalare l'esatto opposto di quello che è un segnale reale e ciò può falsare un programma. Inoltre, queste particelle cariche possono potenzialmente danneggiare i dati archiviati nella memoria della CPU durante la finestra del latch di un processo e ciò può causare danni irreparabili alla CPU. Poiché la velocità della CPU aumenta per quasi tutti i processi qui sulla Terra, raramente nelle CPU spaziali si trovano velocità di clock più elevate. Questo perché la maggiore velocità (cioè più finestre di latch) rende la CPU più vulnerabile. Gli scienziati hanno ridotto questo inconveniente "indurendo" il materiale semiconduttore, fabbricandolo con zaffiro o arseniuro di gallio, entrambi meno sensibili alle radiazioni rispetto al silicio. Tuttavia, indurire i semiconduttori in questo modo richiede una revisione completa di una fonderia di semiconduttori e ciò implica prezzi astronomici.
Altre metodologie di indurimento, come l'RHBD (Radiation-hardened-by-design), implementano la fabbricazione con tecnologia CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) standard e creano ridondanze per ottenere la resistenza alle radiazioni. La Triple Modular Redundancy, ad esempio, crea tre copie identiche di ogni bit all'interno della memoria. Durante la fase di lettura, vengono lette tutte e tre le copie e la copia "corretta" viene scelta a maggioranza. Questa tecnica riduce la capacità di una singola particella di corrompere la memoria. Due particelle dovrebbero interagire simultaneamente con due diverse copie di bit identiche – in punti diversi sul chip – per creare un falso positivo durante la fase di lettura.
Conclusione
Esistono moltissimi fattori ambientali diversi nelle varie aree dello spazio e ciò rende questo ambiente quasi inospitale per l'elettronica. Per prevenire i guasti di qualsiasi sistema presente su un satellite, è necessario prendere innumerevoli precauzioni. Ciò è particolarmente importante, dal momento che l'ingegneria aerospaziale non può semplicemente portare un satellite in uso in un'officina per farlo riparare. L'estrema specializzazione di ogni satellite richiede una localizzazione dettagliata, analisi del progetto e un'accuratezza meticolosa da parte di quasi tutti gli ingegneri coinvolti nel progetto.
