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Centrifughe, torri di caduta, voli parabolici: e ancora non siamo alla fine. Per completare la panoramica delle condizioni sperimentali a “gravità ridotta” senza andare in orbita, occorre aggiungere un ulteriore metodo.

Non si tratta di un’idea rivoluzionaria, come l’invenzione dell’antigravità di Archimede Pitagorico o di qualche altra meravigliosa idea fantascientifica. Occorre invece estremizzare un po’ un’idea che abbiamo già incontrato nei post precedenti.

Come abbiamo visto, se vogliamo realizzare un esperimento in condizioni di gravità ridotta, occorre che l’esperimento stesso cada da qualche altezza. Non pensate a lanci improvvisati dal finestrino di un dirigibile o da una mongolfiera: voliamo un po’ più in alto. Utilizziamo i cosiddetti sounding rocket, spesso tradotti in italiano come “razzi sonda.”

I sounding rocket sono parenti dei missili balistici. Furono inizialmente progettati per superare la velocità del suono in atmosfera e studiarne le caratteristiche fisiche.

Riadattati e utilizzati dall’ESA fin dal 1982 per esperimenti a gravità ridotta, i razzi sonda europei oggi raggiungono quote dai 250 km (configurazione MASER o TEXUS) ai 750 km (configurazione MAXUS) e sono in grado di trasportare esperimenti per una massa totale di diverse centinaia di kg. Come vedete, si tratta di un salto di ordini di grandezza rispetto alle Drop tower: il tempo di caduta passa da pochi secondi a una decina di minuti e si arriva a ridurre il peso a circa un decimillesimo di quello terrestre.

La caduta, come immaginate, è libera ma non sconsiderata: al termine della discesa, si aprono i paracadute che permettono l’atterraggio della capsula che contiene il carico scientifico a circa 30 km/h.

Vediamo da vicino la capsula che contiene gli esperimenti: la struttura esterna è un cilindro che misura complessivamente circa 3,3 – 3,5 metri di lunghezza, per un diametro di 43 cm (MASER o TEXUS) o 63 cm (MAXUS).

Al suo interno, vengono sistemati i singoli moduli sperimentali. Ciascun esperimento è montato su piattaforme di diametro di 40 cm (MASER o TEXUS) o 60 cm (MAXUS). Le piattaforme sono poi chiuse in contenitori cilindrici e fissati alla struttura della capsula con degli ammortizzatori elastici, per ridurre le vibrazioni in fase di lancio. Infine si aggiungono le batterie, l’elettronica necessaria e così via. E il “pacco sperimentale” è pronto. In questo modo gli esperimenti sono del tutto indipendenti, tanto che possono essere tranquillamente impilati uno sull’altro.

Una curiosità: durante la fase di lancio, a causa di vibrazioni interne e della spinta dei motori, gli esperimenti vengono esposti a condizioni di gravità aumentata. Di quanto? La spinta dei motori raggiunge e mantiene per circa 45 secondi un’accelerazione di 12 g. Dodici volte il peso. Inutile dire che non sono voli che prevedono la partecipazione di scienziati o tecnici a bordo….

Stefano Sandrelli

Per saperne di più sui sounding rockets: https://www.esa.int/Our_Activities/Human_Spaceflight/Human_Spaceflight_Research/Sounding_rockets

Per sperimentare l’assenza di gravità, come abbiamo visto qualche post fa, non è necessario essere astronauti: basta essere genitori e portare i propri figli a un parco divertimenti, salire su una drop tower e… riuscire a sopravvivere! Dopo, per festeggiare, potrete persino prendere un cono gelato. Se lo stomaco è tornato al suo posto, s’intende.

Ma perché limitarsi a una drop tower quando, se siamo abbastanza fortunati, potremmo avere a disposizione addirittura una “cometa del vomito”? Il nome è promettente, no?

Da anni l’ESA – e non solo, naturalmente – organizza delle campagne di voli aerei molto particolari.  In che senso? Lo vediamo subito: siamo all’aeroporto di Bordeaux- Merignac, in Francia. Sulla pista di decollo vedete un Airbus 300 della compagnia Novospace. È lì per voi, vi sta aspettando. Salite a bordo. Come potete vedere, l’allestimento interno non è certo quello di un aereo. Tutto è stato modificato, a partire dai sedili, che sono stati rimossi. Al loro posto si è ricavato un ampio spazio.

Per darvi il benvenuto, nella fase di decollo dalla base de il pilota dirige l’aereo alla massima velocità con una pendenza di circa 45 gradi. Raggiunti i 20 km di quota, i motori vengono “messi al minimo”. E… indovinate. Che cosa succede a un aereo a 20 km di altezza, con i motori al minimo? Intuite la risposta? Già… precipita. Nel nostro caso, naturalmente, è una discesa controllata: con i motori così “silenziati”, l’aereo si trova a planare in caduta libera, frenato solo dall’attrito dell’atmosfera.

Nei 20 secondi di caduta, il peso – in analogia con quanto accade in una torre di caduta – viene annullato dalla forza apparente dovuta all’accelerazione dell’aereo. In altri termini: siamo quasi in assenza di peso. A causa dell’attrito dell’aria, il peso viene ridotto di circa 100 volte: galleggiate allegramente, come un astronauta, e con voi i vostri colleghi e gli esperimenti che hanno portato.

Dimenticavo: durante un volo parabolico, l’aereo percorre ben 31 parabole. Quindi preparatevi: alla fine di questa discesa ci sarà giusto il tempo di darsi una pettinata e l’aereo tornerà a risalire. Il totale del tempo passato in assenza di peso, parabola dopo parabola, è oltre 600 secondi.

Ma non preoccupatevi troppo: non si sale su una “cometa del vomito” semplicemente comprando il biglietto per un parco giochi, come può capitare su una drop tower. Le campagne di voli parabolici “Fly your thesis” organizzata dall’ESA, per esempio, sono indirizzate soprattutto agli studenti universitari. Questo permette loro di avere un primo accesso allo spazio: circa 10 minuti di assenza di gravità, permette agli studenti di familiarizzare con i concetti base, con i problemi e con le tecnologie spaziali. Naturalmente la sfida principale consiste nell’ideare esperimenti che possano avere durate inferiori a 20 secondi circa. Esperimenti intelligenti, veloci da svolgere e facilmente ripetibili.

Per partecipare a una campagna di voli parabolici, in genere aperta anche a un numero ristretto di giornalisti, si deve superare una visita medica, ma non ci sono richieste fisiche particolarmente restrittive: per esempio non è richiesta una vista perfetta. È chiaro però che il fisico è sottoposto a movimenti innaturali, che possono disturbare chi soffre di malattie come il diabete o l’epilessia. Qualcuno non sta benissimo durante il volo – “comete del vomito” non è un soprannome immeritato – ma si tratta di malesseri passeggeri: i partecipanti hanno sempre tratto soprattutto un gran divertimento dallo sperimentare l’assenza di gravità. Per prevenire i malesseri ciascun gruppo può sperimentare 5 voli parabolici prima della campagna vera e propria, durante i quali si rimane legati ai propri sedili, in modo da dare una certa gradualità all’esperienza. In ogni caso è possibile prendere alcuni medicinali prima del volo.

E, ancor meglio, sarebbe utile allenarsi prima della campagna: per esempio… avete presente la torre di caduta? Pensavate davvero di sfuggirle?

PS In questo post, naturalmente, si scherza sulle drop tower dei parchi gioco. Si ricordi che, per la scienza, si utilizzano drop tower ben diverse – descritte nel post precedente.

 Stefano Sandrelli

Per saperne di più: https://www.esa.int/Our_Activities/Human_Spaceflight/Human_Spaceflight_Research/Parabolic_flights2

Due ingenui genitori decidono di portare i propri figli a un parco divertimenti. Se lo ricordano carino e divertente. Trent’anni fa. Ora l’attrazione principale è una specie di pilone altissimo, circa 60 metri. Alla base, seduti su certi seggioloni di sicurezza, ci sono tante persone che urlano eccitate. I bambini insistono e anche loro si aggiungono al gruppo. Pronti alla partenza.

Pronti per modo di dire perché, d’improvviso, vengono innalzati in pochi secondi a 30-40 metri lungo un binario sulla parte esterna della torre. È già abbastanza stordente, ma a questo punto il sospetto diventa una certezza anche per gli adulti più ingenui. E infatti, di lì a poco, fra urla assordanti, vengono fatti scivolare giù a velocità spaventosa, in caduta libera. La posizione del loro stomaco che galleggia li avverte dell’assenza di peso.

Durante la caduta libera, in effetti, i nostri corpi si trasformano in sistemi di riferimento non inerziali: i nostri organi sperimentano una forza uguale e contraria alla forza di gravità. Insomma: una torre di caduta in un parco di divertimenti è un ottimo metodo per assaggiare – almeno per qualche secondo e in via teorica – l’assenza di peso.

Le torri di caduta si usano anche per scopi scientifici.  All’interno della struttura a torre si pratica il vuoto atmosferico e si fanno cadere esperimenti all’interno di capsule protettive, registrando poi il comportamento del sistema sotto osservazione con una serie di dispositivi ottici, come telecamere o fotocamere. La Drop Tower di Brema, in Germania, con i suoi 146 metri di altezza è la più alta d’Europa e garantisce una caduta di 120 metri: circa 4,74 secondi di microgravità, che possono essere portati a circa 9,3 secondi grazie a un meccanismo a catapulta.

Un metodo alternativo è quello delle centrifughe ad altissima velocità: una centrifuga di grande diametro, circa 8 metri, è installata presso ESTEC, il centro dell’ESA per la ricerca e la Tecnologia Spaziale, in Olanda. In questo caso il peso viene annullato dalla rotazione, ma si introduce una forza centrifuga che permette di creare anche condizioni di gravità in eccesso, fino addirittura a venti volte la gravità terrestre.

E se volete proseguire con gli incubi in caduta libera, ci sono i voli parabolici. Ma di questi parleremo nel prossimo post.

Stefano Sandrelli