Riflessioni sulla ricerca spaziale all`interno dell`INFN

Riflessioni sulla ricerca spaziale all’interno dell’INFN
IL CRESCENTE INTERESSE DELL’INFN NELLA RICERCA SPAZIALE
Nell'ultimo decennio, lo sviluppo della ricerca nel campo della fisica
fondamentale ha spinto un numero crescente di gruppi di ricerca dell’ INFN a proporre e
realizzare presso i propri laboratori esperimenti scientifici da effettuare nello spazio, con
vettori russi ed americani, sullo Shuttle, sulla MIR e sulla Stazione Spaziale
Internazionale. Questa attivita' di ricerca che consiste anche nella costruzione di
strumentazione qualificata per il volo, si svolge spesso all'interno dei laboratori delle
Sezioni INFN, grazie a significativi investimenti da parte dell' INFN e dell’ ASI.
Si tratta di programmi in cui i ricercatori INFN hanno non solo ideato ma anche,
in tutto o in parte, realizzato strumenti che poi sono stati inviati (AMS-01, NINA 1,
NINA 2, ELFO, SIRAD) o saranno inviati nei prossimi anni nello spazio (ALTEINO,
AGILE, PAMELA, SMART2-LISA Pathfinder, AMS-02, GLAST). A medio termine
sono inoltre previsti altri importanti programmi come EUSO e LISA. Discussioni con
americani e russi per misure intorno al ginocchio sono ad una fase preliminare.
PUNTI DI FORZA DELL’APPROCCIO DELL’ INFN
L’interesse e la forza dell’ approccio dell’ INFN, rispetto all’ approccio
tradizionale in cui la realizzazione dalla strumentazione scientifica di volo avviene
interamente presso industrie del settore, e’ dovuto:
a) alla capacita’ di leadership ed autonomia scientifica e strategica dell’ INFN, che
permette di attivare programmi che sono di centrale interesse dell’ Istituto ed attirare su
di essi la partecipazione di altri Istituti e/o Agenzie;
b) al significativo contenimento dei costi che permette l’esecuzione di un maggior
numero di programmi a parita’ di finanziamenti disponibili, dato che la strumentazione
viene realizzata in tutto o in parte all’ interno dei laboratori delle Sezioni o Laboratori
dell’ INFN ricorrendo al supporto industriale solo la parte in cui non risulta conveniente
o possibile sfruttare le competenze dell’ Istituto ;
c) alla possibilita’ di fornire una formazione molto piu’ ampia e completa a laureati,
dottorandi e post-doc aumentando la competitivita’ dei curricula e l’interesse dei giovani;
d) al progressivo miglioramento tecnologico dell’ INFN dovuto allo stretto contatto dell’
Istituto con l’ambiente della ricerca di base dell’ Universita’ e dei centri di ricerca
nazional ed internazionali, nonche’ con il tessuto nazionale delle PMI e delle industrie del
settore, facilitando l’ ingresso dei giovani ricercatori nel mondo del lavoro, aumentando
inoltre la capacita’ di produrre brevetti o di fare nascere spin-off commerciali;
La validita’ di questo approccio e’ mostrato dal successo dei programmi che
hanno gia’ volato (AMS-01, NINA 1, NINA 2, ELFO, SIRAD) e che hanno potuto
basarsi:
a) sull’ esistenza all’interno dell’ Istituto di un patrimonio di conoscenze e tecnologie
unito a capacita’ realizzative in grado da permettere la progettazione di strumenti
avanzati e affidabili,
b) sull’ esistenza all’ interno dell’ Istituto di un patrimonio di conoscenze relativo alle
tecniche di controllo di qualita’ e spazializzazione,
c) sull’esistenza di facilities che permettono la realizzazione e la certificazione della
strumentazione scientifica per applicazioni nello spazio.
LA SITUAZIONE E LE PROSPETTIVE DELL’ ATTIVITA’ SPAZIALE DELL’ INFN
Dalla seconda meta’ degli anni ’90 ad oggi si sono succedute numerose missioni
dell’ INFN, di diversa dimensione e complessita’ per effettuare studi nei seguenti settori:
1) Effetti delle radiazioni sugli atronauti (ELFO, SIRAD)
2) Raggi cosmici di bassa energia (NINA 1, NINA 2)
3) Raggi cosmici di energia intermedia (AMS-01)
Queste missioni derivano in buona parte dall’attivita’ svolta negli anni precedenti
dalla collaborazione WIZARD per mezzo di voli di palloni stratosferici in collaborazione
con gruppi americani.
Nei prossimi anni e’ previsto un picco di missioni di notevole complessita’;
1)
2)
3)
4)
5)
AGILE (2005) raggi gamma dal keV al GeV;
PAMELA (2005) raggi cosmici di energia intermedia su orbita quasi polare;
AMS-02 (2007/8) raggi cosmici e gamma di energia intermedia su orbita ISS;
GLAST (2007) raggi gamma dal MeV alle centinaia di GeV;
LISA-Pathfinder (2007) tecnologie abilitanti per LISA.
Dopo il 2007 pero’ si assiste ad un rallentamento significativo del ritmo a cui sono
previste ulteriori missioni di interesse INFN, in quanto sono previste solo due grandi
missioni EUSO sulla ISS (in fase di studio di fase A in ESA, presumibilmente prevista
per il 2010) e LISA (2013). A questo occorre aggiungere una attivita’ sui palloni
stratosferici in voli di media durata (CREAM)..
Tale rallentamento e’ in controtendenza con la crescita di interesse scientifico della
comunita’ dell’ INFN nei confronti dell’ osservazione dell’ universo. Infatti non si
assiste ad un tale fenomeno nel caso degli osservatori di Raggi Cosmici o Gamma da
terra (Auger, Antares, Nemo, Argo, Magic, Hesse, Amanda, ICE-cube…..) dove si stanno
pianificando programmi di lunga durata e che comportano grossi investimenti, per non
parlare addirittura di nuovi laboratori sotterranei come il progetto del Frejus.
Questo e’ un primo problema che occorre mettere a fuoco: e’ necessario capire la
causa dell’ apparente diminuzione del numero di missioni di interesse INFN previste a
partire dal 2007.
Un secondo problema e’ legato alla tempistica delle missioni spaziali in cui e’
coinvolta l’ INFN.
Se analizziamo le tempistiche delle principali missioni spaziali di cui sopra
osserviamo sistematicamente una grande discrepanza temporale fra il momento di inizio
della missione e la sua effettiva realizzazione:
1234-
NINA-1 approvata nel 2003 (?) ha volato nel 2008.
Pamela approvata nel 1995, volera’ nel 2005.
AMS-02 inizialmente prevista nel 2003 ora e’ prevista nel 2007/8.
Agile approvata nel 1998 per volare nel 2001 dopo molte vicissitudini e’ ora
prevista nel 2005.
5- GLAST approvata nel 2000 per un lancio nel 2005 e’ ora prevista nel 2007.
6- LISA e’ oggi prevista nel 2013, ha corso recentemente il rischio di uno
spostamento ulteriore in avanti, ma in ogni caso il processo di approvazione di
questa missione e’ durato piu’ di dieci anni, almeno per tutti gli anni ’90.
Ci sono alcune missioni per cui i tempi sono stati molto piu’ brevi, ma sono poche:
1- AMS-01 approvata nel 1995 ha volato nel 1998
2- NINA-2 ha volato solo due anni dopo NINA-1, nel 2000, sfruttando l’occasione
del volo tecnologico del satellite MITA.
Quest’ultima considerazione vale anche per le piu’ piccole missioni per lo studio
degli effetti della radiazione sugli astronauti (ELFO, SIRAD) che hanno beneficiato di
rapporti privilegiati tra gruppi dell’ INFN con il mondo russo.
E’ piuttosto chiaro che i due problemi sono in qualche modo collegati, le difficolta’ ed
i ritardi nell’ esecuzione dei progetti spaziali e’ certamente una delle cause importanti del
diradarsi delle missioni nei prossimi anni, in quanto la comunita’ e’ occupata a realizzare
molte missioni, tutte sistematicamente in ritardo. Inoltre ritardi sono evidente causa di
demotivazione, specie per i giovani. Ma e’ altrettanto chiaro che questo problema si
morde la coda: i ritardi rallentano l’attivita’ e diminuiscono la partecipazione e questo di
nuovo contribuisce a ritardare nuove iniziative.
ANALISI DEL PROBLEMA E DELLE SUE CAUSE
Sgombriamo subito il campo da una prima ipotesi, vale a dire che la causa sia un
diminuito interesse nei confronti della fisica particellare e fondamentale nello spazio.
Questo non e’ vero, perche’ esistono certamente molte misure interessanti che sarebbe
interessante fare con i raggi cosmici e di tipo gravitazionale. Oltre alle misure che
saranno coperte dagli esperimenti in costruzione, ci sono ad esempio;
1- misure di precisione delle proprieta’ della magnetosfera terrestre, che
potrebbero addirittura avere delle ripercussioni applicative importanti nel
campo dei terremoti;
2- misura della componente ad altissima energia (EUSO ed esperimenti
successivi) che aprirebbe il campo all’astrofisica dei raggi cosmici;
3- misura del fondo luminoso per esperimenti alla EUSO;
4- sviluppo di tecniche binoculari o plurioculari tipo OWL per utilizzare
l’atmosfera terrestre come calorimetro tracciante;
5- misura dei neutrini dallo spazio, con l’avvento dell’astrofisica dei neutrini;
6- estensione della sensibilita’ della misura dei raggi gamma ad energie dal GeV
al TeV e non provenienti da sorgenti;
7- misure di accelerazione e gravitazione con nuove tecniche basate sugli atomi
freddi nello spazio;
8- misure di altissima precisione usando riferimenti in frequenza;
9- misure che potrebbero usare la luna come targhetta per neutrini o raggi
cosmici cercando segnali che sono oscurati dall’ atmosfera terrestre;
10- misure di composizione dei primari intorno al ginocchio e sopra di esso;
11- misure spettrometriche di altissima precisione nell’ X usando rivelatori a
superconduttività;
12- misure di polarimetria X usando nuovi rivelatori tipo GEM;
13- misure di composizione dei raggi cosmici nell’eliosfera;
14- ………………..
In questa lista non sono state volutamente inserito misure di grandissimo
interesse come misure di CMB, di ranging lunare o satellitare, survey di grande scala
per la ricerca della materia oscura per il semplice fatto che vi sono, per ora, comunita’
non INFN molto attive che coprono queste aree di ricerca spaziale mentre non e’
possibile identificare una comunita’ INFN che se ne occupa in modo visibile. Ma anche
questo aspetto potrebbe cambiare in futuro.
Esistono invece certamente due problemi centrali e profondamente collegati:
(a) un problema di dipendenza dell’attivita’ INFN dalla politica delle
agenzie spaziali, italiana, europea, americana o russa. La
pianificazione di un esperimento spaziale da parte dell’ INFN non puo’
essere autonoma dato che a parte il rivelatore, sia il satellite che il
lancio che la gestione della missione che la trasmissione dei dati
dipendono da entita’ terze in cui l’ INFN non e’ rappresentata in modo
significativo;
(b) un problema di complessita’ e costo delle missioni piu’ grandi.
Missioni come AMS, EUSO, GLAST o LISA hanno dei costi
confrontabili o superiori alla creazione di un laboratorio di ricerca o di
un acceleratore di medie dimensioni. Di per se stesso questo non
impedirebbe all’ INFN di farsi carico di buona parte di queste
missioni, ma a causa di (a)
l’Istituto giustamente non puo’
incamminarsi su investimenti troppo elevati in ambiti dove non ha il
controllo scientifico e gestionale.
Si potrebbero analizzare in dettaglio alcuni esempi particolarmente significativi
rappresentati da AMS, EUSO, GLAST e LISA. Preferiamo invece concentrarci su come
si possano affrontare questo tipo di problemi.
UN APPROCCIO INFN ALLA SPERIMENTAZIONE NELLO SPAZIO
1- Necessita’ di organizzarsi a livello nazionale, europeo e internazionale
La forza dell’ Istituto e della comunita’ dei fisici delle alte energie e’ sempre stata
quella di coniugare programmazione scientifica con autonomia realizzativa e gestionale.
Quando e’ stato necessario la comunita’ dei fisici ha realizzato laboratori a livello
nazionale ed internazionale. Per la gestione delle problematiche scientifiche e strategiche
sono state realizzate reti di ricercatori a livello europeo, comitati internazionali di
strategia e policy etc. Per la fisica agli acceleratori questo e’ stato fatto da tempo
(HEPAP, ECFA…), per la fisica astroparticellare in tempi piu’ recenti abbiamo assistito
alla nascita di ApPEC (che ha purtroppo escluso lo spazio dai temi trattati), alla nascita di
EGO, alla programmazione del futuro delle onde gravitazionali a livello europeo con il
programma ILIAS.
In questo senso la fisica fondamentale e delle particelle nello spazio e’ molto piu’
disorganizzata: il successo o l’insuccesso delle iniziative deriva dalla capacita’ del
singolo gruppo di raggiungere una massa critica e dalle sue capacita’ di lobbying a
livello di agenzie. Ma questo, se da una parte rende vivace, competitiva ed agile questa
comunita’, allo stesso tempo la rende fragile in quanto i gruppi si formano e si disfano se
non esiste una prospettiva condivisa a medio-lungo termine, per il semplice fatto che non
c’e’ nemmeno un ambito a livello nazionale o internazionale dove cui discuterne (la
serie di conferenze Space Part rappresenta un tentativo in questa direzione).
La fisica fondamentale e delle particelle nello spazio beneficerebbe notevolmente di
un network a livello europeo, dato anche l’attuale crescente interesse della commissione
europea per lo spazio (si prevede un ulteriore rilancio per l’FP7). Un tentativo in tale
senso e’ stato Spacerad, una proposta di I3 (Integrated Infrastructures Initiative) proposta
all’ EC che non e’ passata al primo tentativo nonostante abbia ricevuto una buona
valutazione programmatica e scientifica.
2- Necessita’ di accesso indipendente allo spazio dell’ INFN
Immaginiamoci per un momento che la sperimentazione all’ LHC sia solo CMS,
ATLAS, ALICE e LHCB, nel senso che coincida con gli esperimenti che avranno inizio
nel 2007/8 e che il CERN accolga gli sperimentatori a partire dal momento in cui questi
esperimenti siano completati ed inizino ad operare.
E’ chiaro a tutti che questo schema non potrebbe funzionare e che i grandi esperimenti
correrebbero un grande rischio di fallire: la possibilita’ di realizzare un grande
esperimento ad LHC e’ legata a tutta la lunga fase di preparazione e studi che
comprendono una sistematica analisi dei rivelatori, la loro simulazione e la realizzazione
di parti di esse che vengono sottomessi alle condizioni simili a quelle che incontreranno
nell’ acceleratore adronico, tramite fasci di prova il piu’ possibile simili a quello finale e
che il CERN mette a disposizione nel corso degli anni.
Per lo spazio abbiamo bisogno dello stesso concetto: ci servono test beam
spaziali, esperimenti piccoli, ridotti nelle loro caratteristiche ma che possano operare
nello spazio per periodi di mesi o di anni per mettere alla prova tecniche e metodi di
analisi. Questi esperimenti devono essere lanciati con frequenza molto maggiore dei
grandi esperimenti, devono costare poco e devono essere svincolati il piu’ possibile dalle
logiche delle agenzie.
Si tratta inoltre di esperimenti disegnati per l’obbiettivo scientifico che si intende
perseguire e non di esperimenti disegnati in funzione del satellite in cui devono essere
lanciati. In altri termini, sono esperimenti con caratteristiche di satellite custom, sono piu’
esperimenti di tipo R&D che operano nello spazio piuttosto che che payload per un bus
standard.. Si tratta cioe’ di satelliti non disponibili all’interno di programmi dell’ ASI o
dell’ ESA ma che devono essere realizzati ad hoc per le necessita’ dell’ INFN.
Puo’ sembrare a prima vista un obbiettivo velleitario, ma e’ facile mostrare il
contrario.
Innanzitutto possiamo mostrare come le Agenzie nazionale ed europea non ci
possono offrire questo servizio a condizioni interessanti per l’ INFN.
(a) Caso ASI
Negli ultimi 30 anni Italia e’ stato lanciato un numero limitato di satelliti
scientifici: LAGEOS-1 (1976) LAGEOS-2 (1992), Tethered 2 (1996), e Beppo-Sax
(1996). Si tratta di una missione ogni 8 anni in media. Lo stesso AGILE che sara’
lanciato nel 2005 (e che e’ dichiaratamente da parte ASI l’ultima piccola missione dell’
Agenzia) avra’ avuto una gestazione di 8 anni.
(b) Caso ESA
Un discorso analogo si puo’ fare per ESA dove la programmazione dipende non
solo da un paese ma da una dozzina di paesi e le risorse sono vincolate per i prossimi
dieci anni.
Nei piani dell’ ASI e dell’ ESA non e’ quindi presente, al momento attuale, una
programmazione di microsatelliti scientifici che abbia le caratteristiche che interessano
l’INFN: rapido turn over (2-3 anni), bassi costi (< 6 Meuro incluso il lancio), autonomia
della gestione dei dati. Risulta quindi che la necessita’ di accedere allo spazio per
missioni di tipo “test beam” non puo’ essere realizzato senza una iniziativa specifica
dell’Infn, aperta eventualmente alla partecipazione delle Agenzie interessate.
Occorre notare come l’accesso allo spazio con programmi “alternativi” e’
avvenuto in Italia almeno 7 volte negli ultimi 5 anni: NINA1 (piggyback INFN su vettore
russo), UNISAT 1 e 2 (satelliti universitari dell’ Universita’ La Sapienza lanciati dalla
Russia), MEGSAT 1 e 2 (ditta privata Megiorin lanciati dalla Russia, il secondo con un
piccolo payload in cui partecipava l’ Infn) e almeno due satelliti di prova della CGS-OHB
(sempre lanciati dalla Russia). In buona parte dei casi, in particolare UNISAT 1 e 2 e
MEGSAT 2 il programma e’ stato finanziato anche dall’ ASI ma la responsabilita’
operativa e gestionale era interamente a carico dei proponenti.
Per cui non si puo’ sostenere che non ci sarebbero le condizioni per l’INFN di
concordare con ASI un programma indipendente (o congiunto) di microsatelliti
scientifici in preparazione delle grandi missioni spaziali di interesse INFN..
In secondo luogo mostriamo come i costi della realizzazione di questo tipo di
programmi siano compatibili con le risorse INFN
I satelliti di piccola dimensione rappresentano un settore di grande interesse a
livello internazionale perché consentono la realizzazione di missioni anche semplici a
prezzi modesti ed in tempi estremamente ridotti (su piattaforme consolidate si può
arrivare ad un tempo di approntamento di 3 mesi). Esiste un mercato internazionale dei
microsatelliti e oggi è possibile costruirli grazie alle disponibilità di nuove tecnologie di
miniaturizzazione ed alla riduzione fisica dei pannelli solari e delle batterie grazie ai
ridotti consumi di energia possibili utilizzando elettronica dell’ultima generazione. La
Tabella 1 descrive i costi di alcuni satelliti scientifici prodotti da consorzi privati inglesi o
americani negli ultimi anni. Notare come il costo dipenda anche in maniera significativa
dal vettore usato (ESA/USA vs Russia ).
La Tabella 2 mostra il risultato dello studio effettuato in Italia da una realta’
privata dei costi di realizzazione di una serie di microsatelliti da 50 kg (payload ~ 10 kg,
escluso dal costo), assumendo di acquisire sul mercato internazionale componentistica
qualificata da precedenti missioni nello spazio (celle solari, stabilizzazione,
telecomunicazioni etc.) e quindi molto affidabile. Il costo del lancio da un vettore russo
e’ incluso nel prezzo.
Le cifre contenute in Tabella 2 sono confrontabili con le cifre in Tabella 1:
risulta anche chiaro come questo approccio sarebbe interessante e competitivo a livello
del mercato internazionale con interessanti ricadute industriali e commerciali a livello
nazionale, come si discute brevemente nell’ Appendice 1.
TABELLA 1
NOME DEL SATELLITE
VETTORE
COSTO
PESO
DIMENSIONI
SUNSAT
BREMSAT
TiungSat-1
POSAT
Cerise
Tsinghua-1
TMSAT
Clementine
SNAP-1
CHPSAT
SPASE
Delta II
STS60
Dnepr
Ariane V59
Ariane V102
Kosmos-3M
Zenit
Ariane V124
Kosmos-3M
Delta 2 7320-10
Shuttle
1,95MEuro
3,5MEuro
7,3MEuro
2,1MEuro
17,4MEuro
62,4kg
63kg
50kg
50,5kg
50kg
50kg
150kg
50kg
6.5kg
45kg
35kg
450x450x600mm
500mm Dia
360x360x690mm
352x356x670mm
600x300x300mm
690x360x360mm
690x360x360mm
690x360x360mm
non disponibile
non disponibile
non disponibile
9,8MEuro
18MEuro
1,5MEuro
12MEuro
2,5MEuro
TABELLA 2
COSTO MICROSATELLITI
Costi di realizzazione di una serie di microsatelliti (Iva esclusa)
KEuro
Primo Micro Satellite(stabilizzazione su tre assi)
Costruzione
Preparazione al lancio
TOTALE
2700
2300
6000
TOTALE
1200
1000
2200
TOTALE
900
700
1600
TOTALE
400
500
900
Secondo Micro Satellite(stabilizzazione su tre assi)
Costruzione
Preparazione al lancio
Terzo Micro Satellite (stabilizzazione su tre assi)
Costruzione
Preparazione al lancio
Terzo Micro Satellite (stabilizzazione su un asse)
Costruzione
Preparazione al lancio
In terzo luogo si puo’ mostrare come la gestione della missione e dei dati a terra
siano compatibili con le risorse INFN
Esistono varie modalita’ di trasmissione a terra e distribuzione dati che non
richiedono l’utilizzo di costose basi di telecomunicazione o ne riducono grandemente la
necessita’. I gruppi dell’ INFN che collaborano con il mondo Russo possono facilmente
mostrare come questo sia possibile potenziando in modo ragionevole la rete di
comunicazione dell’ Istituto e utilizzando tecniche gia’ ampiamente sviluppate per gli
esperimenti agli acceleratori. E’ opportuno ricordare l’esistenza di un rete mondiale
privata per la trasmissione di dati di controllo e di telemetria a costi molto contenuti.
3 - Necessita’ di identificare un “home-laboratory” all’ interno dell’ INFN caratterizzato
sull’esperimentazione nello spazio
La comunita’ INFN opera tradizionalmente all’ interno delle proprie Sezione e
Laboratori. I Laboratori derivano dalla necessita’ di dotarsi di grandi strutture,
acceleratori ma anche interferometri, gallerie sotterrane, laboratori sottomarini, che
difficilmente possono essere realizzate all’ interno di una Sezione.
A loro volta l’esistenza di Laboratori INFN specializzati in un singoli settori
della ricerca della fisica nucleare, subnucleare e delle astroparticelle rappresenta un
fondamentale stimolo di guida aggregazione e crescita per il settore stesso.
Per quanto riguarda la ricerca nello spazio, questo punto di aggregazione INFN e’
assente. Ci sono Sezioni storicamente attive in campo spaziale (Roma II, Firenze,
Trieste, Bari, Perugia, Bologna) altre che si sono affacciate piu’ recentemente ad
esperimenti spaziali (Pisa, G.C. Siena, Roma I, Napoli, Genova, G.C. Trento……) altre
che hanno espresso un interesse. Esistono presso queste Sezioni facilities e competenze
specifiche per la qualifica di esperimenti per lo spazio. Al momento attuale pero’ nessuno
dei Laboratori dell’ INFN ha una significativa attivita’ spaziale, anche se, ad esempio,
ricercatori dei LNF hanno espresso interesse in questa direzione. I LNGS rappresentano
naturalmente un ruolo di centro di aggregazione della comunita’ astroparticellare, ma non
rappresentano, al momento almeno, un punto di aggregazione di attivita’ sperimentali per
il settore spazio.
La situazione potrebbe cambiare se iniziasse una attivita’ di qualifica ed
integrazione di payload e micro-satelliti presso un laboratorio nazionale dell’ INFN.
Questo Laboratorio potrebbe mettere a disposizione personale e strutture per questo tipo
di attivita’ specialistiche e divenire il naturale centro di aggregazione per la comunita’
nazionale INFN impegnata nello spazio. L’effetto positivo di questo tipo di evoluzione
sarebbe non solo di realizzare il percorso descritto come realizzazione “fasci di test” per
lo spazio e quindi di dare stabilita’ e prospettiva alla comunita spaziale dell’ INFN ma
anche di creare la massa critica per permettere l’ attivazione di programmi europei ed
internazionali e la partecipazione, con ruoli leader, al futuro delle missioni spaziali in
Europa e a livello internazionale (NASA ma anche Russia, Cina e altri paesi emergenti).
ULTERIORI SINERGIE E VANTAGGI PER IL SISTEMA PAESE
La proposta contenuta in queste pagine, in estrema sintesi consiste nell’ applicare
al settore spazio gli stessi metodi che hanno permesso in passato il successo dell’ INFN
nel campo degli acceleratori prima, della fisica sotterranea e dei raggi cosmici a terra poi,
nonche’ dell’ interferometria gravitazionale a terra in tempi piu’ recenti.
I ricercatori dell’ INFN spinti dall’ interesse scientifico e supportati dalle
strutture e dai mezzi dell’ Istituto, hanno saputo spingere ai massimi livelli le tecnologie
che si sono rivelate necessarie per affrontare i vari problemi di ricerca fondamentale che
di volta in volta hanno incontrato. Questo e’ accaduto per i sensori, per i materiali, per
il software, per le reti, per la microelettronica. I benefici del metodo INFN sono sotto
gli occhi di tutti e permettono di volta in volta di trasferire al tessuto produttivo le
tecnologie piu’ avanzate sviluppate all’ interno dell’ Istituto. Lo stesso puo’ avvenire (ed
in parte avviene gia’) per il settore spaziale, non in competzione ma in sinergia con ASI
ed ESA.
In particolare, l’ipotesi di realizzare payload strettamente integrati con strutture di
tipo microsatellitare, rappresenterebbe un fortissimo stimolo di innovazione per
l’industria spaziale nazionale. Per questo tipo di applicazioni e’ necessario infatti
affrontare tematiche relative alla miniaturizzazione e integrazione di sistemi elettrici e
meccanici, un’area in cui c’e’ stata in questi anni una rivoluzione nella strumentazione
scientifica di laboratorio, nei computer, nelle telecomunicazioni nonche’ nell’elettronica
di largo consumo ed in cui l’INFN e’ molto attiva per via della sperimentazione agli
acceleratori di particelle. La capacita’ di realizzare piu’ funzioni con sistemi piu’
compatti, leggeri e che consumano meno potenza e’ infatti ideale per le applicazioni
spaziali dove la massa e la potenza rappresentano dei parametri cruciali. L’impiego
inoltre di elettronica commerciale qualificata per applicazioni spaziali (COTS) e’ un altro
fattore di grande importanza per il contenimento dei costi a parita’ di affidabilita’.
L’iniziativa INFN-PAT ( Provincia Autonoma di Trento) sui MEMS rappresenta un
ottimo esempio dello stimolo di innovazione che il mondo della ricerca applicata si
aspetta dall’INFN.
Il forte collegamento dei gruppi INFN con le attivita’ di sviluppo di tecniche di
rivelazione in ambito nazionale ed internazionale (CERN, ESA, NASA, ..) permette
inoltre di avere rapido accesso ai risultati ottenuti nell’ R&D nel campo delle tecniche dei
rivelatori, dei progressi in campo delle micro e nanotecnologie applicata alla rivelazione
della radiazione, delle novita’ esistente in campo di microelettronica integrata e software
avanzato. All’ interno della rete di competenze e risorse tecniche e scientifiche presenti
all’ interno dell’ Istituto, si possono sviluppare con il supporto della Commissione V
strumenti basati su tecniche innovative con particolare attenzione alla miniaturizzazione
dei componenti degli strumenti (sensori, elettronica, attuatori, meccanica). Questo
obbiettivo e’ strettamente collegato con il miglioramento delle caratteristiche delle grandi
missioni spaziali pianificate nel corso dei prossimi 10 – 20 anni, in quanto pesi, consumi
e dimensioni rappresentano un fondamentale limite nella sperimentazione nello spazio
. L’esigenza di potere accedere allo spazio a basso costo ed in tempi brevi e’
infatti fortemente sentita sia dalla comunita’ scientifica che dal mondo delle applicazioni
commerciali e lo sviluppo di tecniche di miniaturizzazione per applicazioni spaziali e’
certamente un passo importante in questa direzione.
APPENDICE 1
ANALISI DEL MERCATO DEI MICROSATELLITI
Il mercato attuale dei microsatelliti è un mercato emergente; una recente indagine
conta circa 90 microsatelliti realizzati ufficialmente negli ultimi 3 anni e prevalentemente
da compagnie USA. Ci riferiamo ovviamente al mercato dei microsatelliti che, in accordo
con la definizione ESA, sono quelli di peso compreso tra i 10kg ed i 100kg; il riferimento
di nostro interesse è quello dei microsatelliti di peso inferiore a 50kg. Il peso è un
parametro molto importante in quanto il costo del lancio è una funzione diretta di questo.
I satelliti di piccola dimensione sono da sempre stati di interesse perché
consentono la realizzazione di missioni anche semplici a prezzi modesti ed in tempi
estremamente ridotti (su piattaforme consolidate si può arrivare ad un tempo di
approntamento di 3 mesi). Oggi è possibile costruire microsatelliti grazie alle
disponibilità di nuove tecnologie di miniaturizzazione ed alla riduzione fisica dei pannelli
solari e delle batterie grazie ai ridotti consumi di energia possibili utilizzando elettronica
dell’ultima generazione.
Il valore economico di mercato per un microsatellite non è facilmente
determinabile in quanto il mercato offre prezzi variabili da compagnia a compagnia ma
anche fortemente dipendenti da alcune caratteristiche tecniche (numero degli assi
controllati, tecnologia del sistema di alimentazione, ecc.). I valori economici noti relativi
alla realizzazione di microsatelliti si riferiscono normalmente al costo totale del segmento
spazial, microsatellite + payloads ed in alcuni casi il costo include anche il lancio. Esso
varia tra i 2 ed i 18 Meuro per una serie di microsatelliti riportati nella Tabella 1 del
documento.
.
Il possibile mercato, per i microsatelliti e per quelli ancora più piccoli denominati
nanosatelliti (da 1kg a 10kg per ESA), è oggi di difficile valutazione per la sua
caratteristica di essere un mercato emergente. Esso ha pero’ tutte le caratteristiche per
raggiungere grandi dimensioni anche assumendo come riferimento i costi attuali;
l’impiego delle più recenti tecnologie consentirà una ulteriore, sensibile riduzione nei
costi e di conseguenza una crescita del mercato. Si ritiene che il mercato mondiale per i
prossimi tre anni debba valere non meno di 300 microsatelliti per anno.
-
Le applicazioni che creano questo mercato sono principalmente:
Applicazioni Sperimentali (es. biomedicina)
Osservazione della Terra (es. telerilevamento)
Osservazione dell’Universo (es. misura della radiazione cosmica)
Telecomunicazioni private e pubbliche
Applicazioni per la sicurezza ed il controllo delle emergenze (es. remote surveillance)