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Tecnologie ottiche per lo spazio Emanuele Pace INFN – Sez. di Firenze Dip. Astronomia e Scienza dello Spazio Università di Firenze.

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Presentazione sul tema: "Tecnologie ottiche per lo spazio Emanuele Pace INFN – Sez. di Firenze Dip. Astronomia e Scienza dello Spazio Università di Firenze."— Transcript della presentazione:

1 Tecnologie ottiche per lo spazio Emanuele Pace INFN – Sez. di Firenze Dip. Astronomia e Scienza dello Spazio Università di Firenze

2 2 Ottica per lo spazio a Firenze INFN Firenze INFN Firenze Dip. Astronomia e Scienza dello Spazio – Università di Firenze Dip. Astronomia e Scienza dello Spazio – Università di Firenze INAF - Osservatorio di Arcetri INAF - Osservatorio di Arcetri INOA INOA Galileo Avionica Galileo Avionica LAV LAV Environmental Research Services Environmental Research Services

3 3 = 330 ÷ 400 nm = 330 ÷ 400 nm EUSO

4 4 Progettazione ottica

5 5 Esempio: HERSCHEL

6 6 Secondario adattivo: tecnologia provata al telescopio MMT (6.5m diam.) Gen – Courtesy of CAAO 336 attuatori 642mm diam. Primo secondario adattivo al mondo Oggetto debole

7 7 Strutture Gruppi di progettazione ottica di sistemi ottici (INOA, DASS, INAF) Gruppi di progettazione ottica di sistemi ottici (INOA, DASS, INAF) Laboratorio di fabbricazione prototipi ottici (INOA) Laboratorio di fabbricazione prototipi ottici (INOA) Laboratorio di progettazione e produzione di coatings e fabbricazione di specchi e filtri multistrato (LAV, DASS) Laboratorio di progettazione e produzione di coatings e fabbricazione di specchi e filtri multistrato (LAV, DASS) Camere bianche per sviluppo rivelatori e per la produzione di ottiche strutturate (Dipartimento di Astronomia e Scienza dello Spazio) Camere bianche per sviluppo rivelatori e per la produzione di ottiche strutturate (Dipartimento di Astronomia e Scienza dello Spazio) Laboratori di test e allineamento ottiche e FPA (DASS, INFN) Laboratori di test e allineamento ottiche e FPA (DASS, INFN) Proposta alla Commissione Luce di Sincrotrone LNF per facility di test nellIR-VIS-UV-softX per sistemi spaziali anche di grandi dimensioni (DASS, INFN) Proposta alla Commissione Luce di Sincrotrone LNF per facility di test nellIR-VIS-UV-softX per sistemi spaziali anche di grandi dimensioni (DASS, INFN)

8 8 Consorzio per lottica Centro per le ottiche spaziali Centro per le ottiche spaziali INOA, Dip. Astronomia - UNIFI, INAF, LENS INOA, Dip. Astronomia - UNIFI, INAF, LENS Attività: Attività: Progettazione ottica Progettazione ottica Ottiche ultraleggere Ottiche ultraleggere Ottiche di grandi dimensioni Ottiche di grandi dimensioni Sistemi di ottica adattiva Sistemi di ottica adattiva Multilayers e filtri Multilayers e filtri Rivelatori Rivelatori LIDAR LIDAR

9 9 Technological issues for large area space optics Weight Weight a conventional 3 m lens or mirror is too heavy (> 1000 kg) for any reasonable spacecraft a conventional 3 m lens or mirror is too heavy (> 1000 kg) for any reasonable spacecraft Ultralightweight optics required Ultralightweight optics required Surface quality Surface quality A sufficient optical surface quality must be guaranteed after launch and under orbital condition A sufficient optical surface quality must be guaranteed after launch and under orbital condition Active surface control possibly needed Active surface control possibly needed Deployment Deployment 3 m is about the maximum diameter possible with available launchers (2.5 m for Shuttle) 3 m is about the maximum diameter possible with available launchers (2.5 m for Shuttle) In orbit mechanical deployment necessary In orbit mechanical deployment necessary

10 10 Space mirrors areal density

11 11 Concept of thin glass active mirrors The optical surface is coupled to stiff lightweight support structure through array of actuators, adjusted on wavefront measurements. The thin mirror is made out of thicker glass substrate while held to rigid blocking body with pitch. Mass~ 5 Kg/m 2

12 12 Suitable mirror materials Needs: 1. stiff and lightweight structure for structural integrity during launch and operations; 2. low coefficient of thermal expansion (CTE); 3. isotropic materials. GLASS (low stiffness, low CTE, eg. Silica-based glass) GLASS (low stiffness, low CTE, eg. Silica-based glass) METAL (highly reflective, high stiffness, high CTE, eg. Al) METAL (highly reflective, high stiffness, high CTE, eg. Al) CERAMIC (eg. Silicon Carbide: very high stiffness, low CTE) CERAMIC (eg. Silicon Carbide: very high stiffness, low CTE) POLYMER (eg. Kevlar: negative CTE; high stiffness) POLYMER (eg. Kevlar: negative CTE; high stiffness) COMPOSITE (mixing of materials, eg.fibers & matrices) COMPOSITE (mixing of materials, eg.fibers & matrices) FOAM (replacing web structure lighter & stiffer struct,) FOAM (replacing web structure lighter & stiffer struct,) A-Technology, Consorzio Technologis, Protek

13 13 In orbit deployment (I): Inflatable concepts Launch into orbit large piece of thin foil that has been rolled up with supporting ring structure. Launch into orbit large piece of thin foil that has been rolled up with supporting ring structure. Assemble pieces and inflate reflective and stretchable material (membrane) with a gas. Assemble pieces and inflate reflective and stretchable material (membrane) with a gas. If membrane stretched beyond elastic limit permanent shape change, after pressure is released. If membrane stretched beyond elastic limit permanent shape change, after pressure is released. Eg: Inflatable reflector: 25 m Ø with ~ 1 Kg/m 2 - ARISE antenna

14 14 In orbit mirror deployment (II) The proposed mirror diameter requires in orbit deployment or assembling Maximum diameter possible with current launchers is m Angular tolerances are not so stringent, 0.1° (0.001 ° mechanically possible) Possible deployment techniques Self deployment (like most antennas) Assembling by robots on the Shuttle Assembling by robotic arms on the ISS After assembling on ISS, the system could remain as external payload OR Several systems could be assembled this way then moved to a different orbit as free flyers (space factory concept)

15 15 A concept from NASA: OWL Deployable Schmidt camera During deployment Packaged in the spacecraft

16 16 ALSO project proposal Advanced Lidars for Space Operation 2 10 m Ø A new generation of advanced LIDAR for active Earth observation (atmosphere, land, waters) large ultralight mirrors Already proposed as Italian contribution in the ESA Roadmap for LIDAR Technology Development for Earth Observation Programme Atmospheric monitoring also needed for UHECR trace modeling cooperation ?

17 17 Deployable antennas technologies 40 m JAXA Engineering Test Satellite ETS-VIII Purpose: orbital experiments on Large- Scale Deployable Reflectors, Application: High-Power Transponder for mobile satellite communications from geostationary orbit

18 18 KLYPVE: tecnologia dalla Russia a segmented Fresnel mirror 1.8 m, 14° FOV A reduced version (TUS, 0.6 m ) is under construction

19 19 Lightweight mirror designs Open back: material removed from back side.~ 8 Kg/m 2 Open back: material removed from back side.~ 8 Kg/m 2 Sandwich style: contiguous mirror surface- front and back - with sparsely supported center section. ~ 7 Kg/m 2 Sandwich style: contiguous mirror surface- front and back - with sparsely supported center section. ~ 7 Kg/m 2 Contoured back: unnecessary mass removed from back outer perimeter (the simplest form). Contoured back: unnecessary mass removed from back outer perimeter (the simplest form). Deformable: accommodate surface figure compensation with actuators. Deformable: accommodate surface figure compensation with actuators. Open backDeformable

20 20 Ottiche adattive Adaptive telescope mirrors: Fast control of (curved) mirror shape (> 1 kHz) Small scale of correction (~ 30 mm actuator separation) Use a very thin (gass) mirror a rigid (glass) back plate as short term shape reference magnetic levitation of the thin mirror capacitive sensing of the gap thickness a complex real-time digital closed loop control Optical wavefront sensing for control loop Adaptive primary segment. Conceptual study for the European Large Telescope

21 21 Interesse per lINFN Rivelazione raggi cosmici e gamma-rays Rivelazione raggi cosmici e gamma-rays Controparti ottiche e X dei GRB Controparti ottiche e X dei GRB Telescopi multibanda Telescopi multibanda Fondi di radiazione UV in atmosfera Fondi di radiazione UV in atmosfera Progettazione ottica e meccanica payloads Progettazione ottica e meccanica payloads Optical GSE e facilities di test ottiche e rivelatori Optical GSE e facilities di test ottiche e rivelatori Problemi di contaminazione Problemi di contaminazione Test di radiation hardness Test di radiation hardness Test ottici di payload ottici scientifici Test ottici di payload ottici scientifici Applicazioni per luce di sincrotrone/FEL Applicazioni per luce di sincrotrone/FEL

22 22 Progetti e proposte Micro-satellite per la misura multi-wavelength del background – interesse per misure di tracce di fluorescenza in atmosfera Micro-satellite per la misura multi-wavelength del background – interesse per misure di tracce di fluorescenza in atmosfera raggi cosmici Petrolini raggi cosmici Petrolini meteore e micro-meteoriti meeting Firenze 28 feb.- 1 mar. meteore e micro-meteoriti meeting Firenze 28 feb.- 1 mar. Space LIDARs Space LIDARs


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