Io,inferno e paradiso, e la missione Io Volcano Observer Parte-II



Nella prima parte, vi ho presentato il mondo di Io, nella sua enorme complessità, e nella diversità della superficie, per quanto fino ad ora abbiamo conosciuto. Io è sicuramente uno dei posti più importanti da esplorare nel Sistema Solare. Ma farlo non è facile, data l'enorme attività del pianeta,si richiederebbe una sonda potentissima, per riuscire a registrare eventi molto dinamici, che cambiano anche in termini di minuti.Inoltre, data la peculiare posizione nel campo magnetico di Giove, e data la radiazione di Io stesso, una sonda sarebbe sicuramente a rischio. Queste difficoltà tuttavia sono state affrontate e previste dal team dell'Università di Arizona che ha lavorato al progetto Io Volcano Observer, che adesso è in fase di concept, riuscendo a renderlo abbastanza convincente da essere accettato nel concorso come uno dei favoriti. Ma la corsa verso il finanziamento ufficiale è ancora lunga e piena di ostacoli

La missione è proposta e portata avanti da Alfred McEwen, dell'Università di Arizona, ed è candidata come una missione "New Frontiers"(missioni di grande importanza e di medio costo,non oltre il 700 milioni di dollari). Tuttavia potrebbe volare come una missione del programma "Discovery"(missioni a basso costo, non oltre i 450 milioni).

Diagramma di come funziona un ASRG. Credit: wikimedia

Questa scelta è data dal tipo di alimentazione energetica che si pensa di usare per la missione IVO. Si tratta degli ASRG(Advanced Stirling Radioisotope Generator).
Per far capire meglio,quando si manda una sonda nello spazio, le modalità con cui poterle fornire energia principalmente sono due: Nel primo caso, i panelli solari. Questa scelta comporta la necessità di essere sempre in una buona posizione per prendere in pieno la luce solare. E nel caso si studi pianeti molto lontani dal Sole, servono panelli molto grandi e di altissima capacità. La seconda opzione è un generatore radioisotopico che usa il decadimento di un isotopo del plutonio,(Pu238)che fornisce grandi quantità di energia.
Questi ultimi sono sempre stati usati la dove la richiesta di energia era maggiore di quanto poteva garantire il sistema di panelli solari. Il sistema usato ad ogni modo era quello dei RTG classici(radioisotope thermoelectric generator).Alcuni esempi di missioni che hanno usati RTG sono Viking, Pioneer, Voyager, Galileo, Ulysses,Cassini e New Horizon.

Ora il problema sta nel fatto che l'isotopo di plutonio usato è quasi finito, e dato l'altissimo costo di produrne altro nuovo, non ci saranno nuove scorte presto. La poca quantità di Pu238 rimasto va usato con molta cura, ed è per questo che la lotta tra le missioni che lo possono usare si fa ancor più feroce.
E qui che le ASRG vengono in aiuto. Si tratta di un nuovo sistema che usa sempre lo stesso principio dei RTG, e si basa sullo stesso combustibile, tuttavia usa ben 6 volte meno plutonio per W di potenza elettrica prodotta di quanto invece usano i convenzionali RTG.

La durata di vita di un generatore ASRG è di circa 14 anni, con una potenza nominale di 140 W elettrico, e circa 100 W termali. Ha una massa di circa 20 kg, e userebbe soltanto 0,8 kg di Pu238.
Il problema è che questo sistema non è mai stato messo alla prova nello spazio, e quindi la NASA ha chiesto la progettazione di una missione a basso costo, che usi gli ASRG per poterli mettere alla prova.
L'affidabilità è già stata dimostrata in laboratorio e test, e le prime unità pronte per il volo saranno pronte nel 2014. In tempo per il previsto potenziale lancio del "Io Vulcano Observer" previsto nella finestra del 2015. Inoltre, l'idea di usare dei panelli solari per il Io Volcano Observer sono da escludere sia perché si rovinerebbero in un ambiente cosi radioattivo, sia perché cercare di tenerli sempre puntati verso il Sole, complicherebbe moltissimo le possibilità di manovra durante le osservazioni.
I costi saranno intorno ai 450 milioni massimo, e in questi sono inclusi anche i costi per il lancio(ma non per le ASRG).Il lancio dovrebbe avvenire a bordo di un Atlas V 401. In caso di lancio nel 2015,l'arrivo a destinazione sarebbe nel 2021. Una volta arrivato orbiterà una volta Io, per poi iniziare le manovre di inserimento in orbita polare intorno a Giove, che dureranno circa 6 mesi. Successivamente ci saranno almeno altri 6/7 sorvoli ravvicinati di Io nei successivi 10 mesi.

grafico del viaggio che IVO farebbe per arrivare a destinazione

Nel momento di massimo avvicinamento IVO arriverà a soli 100 km dalla superficie del satellite. Sono previsti anche passaggi in mezzo ai pennacchi dei vulcani, ma probabilmente,se averanno, sarà nella parte del estensione della missione.
La missione riporterà più di 20 Gb di dati riguardo ad Io, ad ogni sorvolo(cento volte di più di quanto fecce Galileo nell'intera missione).
IVO finirà poi con una prevista collisione sulla superficie di Io.

Esplorare Io è di fondamentale importanza per tutti grandi obiettivi di esplorazione scientifica che la NASA si è proposta.

Studiare il primo miliardo di anni della storia del Sistema Solare
- I processi geologici e vulcanici che hanno guidato la formazione della Terra, la Luna Mercurio e Marte nei primi anni della loro formazione, sono tutti attivi
adesso su Io.

Studiare gli Elementi Volatili e Organici: I "mattoni per la vita"
- Dobbiamo capire come mai Io è privo di acqua(e forse carbonio) ma non ha perso lo zolfo. Lo studio della chimica interna di Io è fondamentale per riuscire
a rispondere a tante domande anche riguardo alla formazione dei pianeti terrestri e affinare la mira nella ricerca della vita su esopianeti.

Studiare Origine ed Evoluzione dei Mondi Abitabili.
- Il riscaldamento per forza di marea determina una zona abitabile nel Sistema Gioviano e analoghi processi possono essere applicati anche nella ricerca
di vita in sistemi planetari extrasolari.

Studiare i processi di geologia planetaria
- Un mondo cosi iperattivo come Io, è un target ideale per studiare come i pianeti funzionano.
- Io è un po come le Isole Hawai'i del Sistema Solare.

Galileo riprende un flusso di lava sulla superficie di Io. La foto è fatta ad una risoluzione di 12 m/pixel

Un altra importante caratteristica del Io Vulcano Observer, è la Jupiter Polar Mission. Lo studio di Giove, e in particolare della sua magnetosfera è di fondamentale importanza, e sarà studiato anche con una missione dedicata(Juno).Tuttavia, come disse il grande astronomo Lou Frank, "Io è il polso della magnetosfera gioviana".
Le interazione tra Io e il campo magnetico di Giove sono conosciute e rimangono un mistero da chiarire.

campo magnetico, e aurore di Giove

Tuttavia un altro grande vantaggio con IVO offrirebbe è la sua orbita intorno a Giove, che è altamente inclinata,il che permetterebbe lo studio approfondito e da vicino dei poli del pianeta, e delle aurore.

IVO è studiato per portare alcuni dei strumenti più al avanguardia mai pensati per una sonda. Iniziando dal suo scudo da oltre 200 kg, che dovrà proteggerlo dall'intensissima radiazione, con una copertura di 100 krad.

grafico del decadimento dello scudo protettivo di IVO

La camera usata(la Radiation-hard camera)RCam, avrà un un unità di gestione dedicata(Digital processing unit), NAC a 10 urad/pixel(in pratica mostra 1km/pixel se si osserva da 100.000 km di distanza, e mostra 10 m/pixel se si osserva da 1000 km di distanza) , e bande a 15 colori, che spazieranno in lunghezze d'onda tra i 200 e 1100 nm. Questa camera è fondamentale per monitorare le eruzioni, monitorare i tori di plasma intorno a Io, misurare le temperature di picco della lava, ottenere immagini stereo della topografia, ottenere filmati dei pennacchi e dei laghi di lava, ottenere immagini durante le eclissi, e per la navigazione ottica.
Per riuscire a fare questo, la camera sarà estremamente veloce, intorno 240 Mb/s per ADC, per minimizzare cosi qualsiasi rumore nelle immagini causato dalla radiazione.
Inoltre la camera sarà in grado di ottenere misurazioni multi-spettrali quasi in simultanea(differenze sopra i 0.1 secondi di tempo,rovinerebbe le misurazioni, dato che la lava calda è cosi dinamica.

Ottenuta da Galileo nel 1999, questa è la foto in più alta risoluzione mai presa della superficie di Io

Le misurazioni possibili vanno dal vicino infrarossi al ultravioletto, e riusciranno ci saranno bande spettrali dedicate a riconoscere misurare ossigeno e zolfo. Sarà anche in grado di misurare sodio e ossigeno che fuoriescono da Europa come da Io, offrendo cosi l'occasione per paragoni unici.
Per un eventuale approfondimento della mineralogia di Io, si possono aggiungere altre fasce spettrali dedicate.
La RCam sarà in grado di fare osservazioni in 15 lunghezze d'onda con 64 linee e vettori di 2.000 x 2.000. Qualità senza precedenti nell'osservazione spaziale.

Immagine ottenuta da Galileo, di eruzioni vulcaniche su Io, durante un eclissi,una delle foto in alta risoluzione

Un ulteriore strumento presente a bordo sarà il THEMIS, Thermal Mapper. Strumento che servirà a misurare con grande precisione la temperature presenti sulla superficie di Io. Tenete in mente che variano moltissimo. Per esempio, Mercurio, cosi vicino al Sole, ha un escursione termica che va dai -183°C ai 426°C. Io invece, ha un escursione termica che va dai -203°C ai 1526°C. Il Thermal Emission Imaging System(THEMIS) otterrà misurazioni fino a 1 km/pixel su una superficie di 8000 km, in ben dieci lunghezze d'onda diverse.

La sua missione sarà quella di creare complesse mappe termiche dinamiche del intero satellite, e distinguere l'emissione termica in base a diversi silicati mineralogici. Si pensa che la lava sarà vetrata, il che potrebbe essere un problema per i classici strumenti, ma per le osservazioni di THEMIS non c'è rischio.

grafico termico ottenuto di una regione di Io, dalla sonda Galileo

Oltre a questi, sarà equipaggiato anche con un Spettrometro di Massa Neutrale e Ionica(INMS), costruito da Nick Thomas dell'Università di Berna, Peter Wurz del Istituto Svedese per la Fisica Spaziale, e Martin Weiser della Stas Barabash.

Ion and Neutral Mass Spectrometer (INMS)

Gli spettri di massa registrati saranno 1 ogni 5 secondi(in modalità di sorvolo), che offre dati scientifici ad una velocità di 19.200 bit/s.

Ecco I Dati Raccolti in Una Tipica Orbita di IVO

- Monitoraggio del Sistema Gioviano
- Immagini dell'intero emisfero illuminato di Io ad una risoluzione <1 km/pixel in 8 colori,delle caratteristiche principali a 10-100 metri/pixel in 4 colori, e a <10
metri a filtro chiaro.
- Immagini dell'attività ad alta temperature nella parte notturna di Io, in 4 color, a <100 m/pixel per misurare la temperature della lava liquida.
- Mappe termali regionali ad una risoluzione tra 0.1 e 100 km/pixel
- Due immagini stereo NAC e due filmati di vulcanesimo attivo.
- Immagini di eclisse di Io, per la mappa globale con THEMIS a <200 km/pixel, e misurazioni con la RCam delle emissioni a frequenze tra 200-1000 nm, a <16
km/pixel.
- Misurazioni continue del campo magnetico.
- Dati del INMS(centinaia di spettri) nei punti di avvicinamento massimo ad Io, e in altri punti chiave lontani a Io.
- L'equivalente di circa 5000 immagini di Cassini(1000 x 1000 pixel).

E queste sono quindi le caratteristiche principali della sonda IVO, nella prossima ed ultima parte verranno elencati i principali obiettivi scientifici e tecnologici e come questi verranno raggiunti.

http://www.lpi.usra.edu/opag/march09/presentations/10Ivo.pdf
http://solarsystem.nasa.gov/planets/profile.cfm?Object=Jup_Io

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