L’ambiente spaziale Dr. Emanuele Pace Marzo 2009

Presentazione sul tema: "L’ambiente spaziale Dr. Emanuele Pace Marzo 2009"— Transcript della presentazione:

1 L’ambiente spaziale Dr. Emanuele Pace Marzo 2009
Corso di Tecnologie Spaziali – Lezione 10 L’ambiente spaziale Dr. Emanuele Pace Marzo 2009

2 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Missione spaziale Lanciatore Satellite Stazioni a terra E. Pace - Tecnologie Spaziali

3 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Sistema Sole-Terra Distanza Sole-Terra 1/40 delle dimensioni del Sistema Solare (6 miliardi di Km) Massa del Sole 99.9% dell’intero sistema La massa della Terra è 3 x 10-6 volte quella del Sole Stella più vicina a 3.5 anni luce (1 a.l. = 9.46 x 1012 km) Densità del mezzo interstellare media 3 atomi/cm2 Densità dell’atmosfera terrestre s.l.m. 3 x 1019 molecole/cm3 1 U.A. = km E. Pace - Tecnologie Spaziali

4 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Sistema Sole-Terra Fotosfera a 5800 K emette nel VIS-UV Cromosfera 105 K emette nell’UV-VUV Corona K emette VUV-raggi X Potenza emessa 3.85 x 1026 W Vento solare con velocità 450 km/s e densità 9 protoni/cm3 Coronal Mass Ejections E. Pace - Tecnologie Spaziali

5 E. Pace - Tecnologie Spaziali
CME da LASCO/SOHO Associati a flares e protuberanze Rate dipendente dal ciclo solare Al minimo si osserva in media 1 CME a settimana Al massimo si osservano 2-3 CME al giorno. Raggiungono la Terra in circa 24 ore CME energetici arrivano anche in poche ore E. Pace - Tecnologie Spaziali

6 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Spettro solare E. Pace - Tecnologie Spaziali

7 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Variabilità solare E. Pace - Tecnologie Spaziali

8 Cicli di macchie solari
Zurich sunspot archive E. Pace - Tecnologie Spaziali

9 Cicli di macchie solari
E. Pace - Tecnologie Spaziali

10 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Effetti L’irraggiamento UV danneggia i materiali per esposizioni prolungate, in particolare la regione tra nm Il vento solare danneggia l’elettronica di bordo dei satelliti riducendone le prestazioni o provocando guasti. I CME possono interrompere trasmissioni radio, provocare blackouts di potenza e causare danni a satelliti e all’elettronica di trasmissione dei dati. L’emissione radio associata al ciclo delle macchie solari può interferire con le trasmissioni terrestri E. Pace - Tecnologie Spaziali

11 E. Pace - Tecnologie Spaziali
L’ambiente terrestre Dominato dall’atmosfera e dal campo magnetico La pressione a terra x 105 Pa e la turbolenza rende omogenea la mistura dei gas componenti A quote superiori a 120 km i costituenti l’atmosfera sono disaccoppiati e dominano i processi di foto- dissociazione dovuti a irraggiamento UV Esistono diversi modelli standard (es. US standard atmosphere 1976, MSIS) che descrivono l’atmosfera alle varie quote e il parametro principale è la temperatura. E. Pace - Tecnologie Spaziali

12 Pressione vs. altitudine
Media al livello del mare mb 5 km mb (upper limit of human settlement) 10 km mb 20 km mb 50 km mb 100 km mb E. Pace - Tecnologie Spaziali

13 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Densità atmosferica Le caratteristiche dell’atmosfera dipendono dall’attività solare, in particolare la temperatura esosferica T La densità atmosferica decresce a partire dalla densità al livello del mare sl con la quota Z seguendo un andamento dipendente dalla temperatura T: Mi peso molecolare R* costante universale dei gas g=g(Z) accelerazione di gravità Per attività solare intensa cresce la T e quindi anche la densità nell’alta atmosfera. Ciò riduce il tempo di permanenza della sonda in orbita e la sua vita media per la presenza dell’ossigeno atomico E. Pace - Tecnologie Spaziali

14 Temperatura atmosfera
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15 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Densità di massa E. Pace - Tecnologie Spaziali

16 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Densità parziali E. Pace - Tecnologie Spaziali

17 Riscaldamento della sonda
Solar radiation 1371 W/m2 Albedo + blackbody emission 200 W/m2 X X Solar wind 2 x 105 K Atmosphere 103 K Rate di collisioni e riscaldamento trascurabili E. Pace - Tecnologie Spaziali

18 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Albedo Albedo = % energia incidente riflessa da un corpo Neve fresca: – 95% Neve vecchia: 40 – 60% Deserto: – 30% Foresta decidua, prati: 15 – 20% Foresta di conifere: 5 – 15% Mare calmo % E. Pace - Tecnologie Spaziali

19 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Global Albedo E. Pace - Tecnologie Spaziali

20 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Plasma e trasmissioni Per Z < 86 km si inizia ad avere produzione di plasmi per foto-ionizzazione UV Per Z < 1000 km plasma < neutro La presenza del plasma crea inefficienze nella propagazione delle onde radio a frequenze che vengono riflesse E. Pace - Tecnologie Spaziali

21 E. Pace - Tecnologie Spaziali

22 Frequenze di trasmissione dati
ITU Band Frequency VHF MHz MHz UHF MHz MHz L GHz S GHz GHz C GHz X GHz Ku GHz GHz K GHz Ka GHz E. Pace - Tecnologie Spaziali

23 Sistema solare Vento solare Campi magnetici Temperatura Atmosfere
Asteroidi e corpi minori Orbite sull’eclittica Orbite circolari E. Pace - Tecnologie Spaziali

24 Impatto sul progetto di una sonda
Orbite complanari Inclinazione i < 4° eccetto Mercurio (7°) e plutone (17.15°) Sono richiesti leggeri cambi di piano Grande risparmio sul carburante Sfruttamento dell’effetto “fionda gravitazionale” Orbite circolari Eccentricità e < 0.1 eccetto Mecurio (0.206) e Plutone (0.248) Leggere variazioni di temperatura nelle orbite planetarie Temperatura T  (re/rp)2 [U.A.] Vento solare Domina lo spazio interplanetario Densità   (1/r)2 E. Pace - Tecnologie Spaziali

25 Impatto sul progetto di una sonda
Collisioni con asteroidi, meteoroidi, micrometeoroidi, polvere Atmosfere Mercurio non ha atmosfera Composizioni e proprietà molto diverse Ionosfere e plasmi Campi magnetici Intrappolamento e accelerazione di particelle cariche Giove ha un campo magnetico particolarmente intenso e una magnetosfera ampia E. Pace - Tecnologie Spaziali

26 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Micrometeoriti E. Pace - Tecnologie Spaziali

27 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Atmosfera di titano La luce visibile non può sfuggire al velo di smog arancione che copre la superficie di Titano. L’atmosfera fredda e secca della luna di Saturno produce uno strato spesso 300 km di smog che si forma quando la luce solare interagisce con le molecole di idrocarburi. Molecole Simbolo Quantità Costituenti principali Percentuale Azoto N2 87-99 Argon Ar 0-6 Metano CH4 1-6 Altri Costituenti parti per milione Idrogeno H2 2000 Idrocarburi Etanolo C2H6 20 Acetilene C2H2 4 Etilene C2H4 1 Propano C3H8 Metilacetilene C3H4 0.03 Diacetilene C4H2 0.02 Composti dell’azoto Hydrogen Cyanide HCN Cynaogen C2N2 Cyanoacetilene HC3N Acteonitrile CH3CN 0.003 Composti dell’ossigeno Monossido di carbonio CO 50 Anidride cabornica CO2 0.01 E. Pace - Tecnologie Spaziali

28 Campo magnetico di Giove
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29 Effetti ambientali sulla sonda
Outgassing Ossigeno atomico Material strength e fatigue lifetime Irraggiamento UV Danneggiamento radiativo Cicli termici E. Pace - Tecnologie Spaziali

30 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Outgassing Le strutture non ricevono danni Elettronica e ottiche possono essere danneggiati Plastiche e ossidi particolarmente sensibili Dannoso l’outgassing iniziale di elementi adsorbiti e dell’acqua I lubrificanti normali degassano Lubrificanti solidi o a bassa volatilità (MoS2) E. Pace - Tecnologie Spaziali

31 Parametri di outgassing
Total mass loss (TML) (%) [(Sample weight before test - Sample weight after test) / Sample weight before test] × 100 Collected volatile condensable material (CVCM) (%) [(Collector plate weight after test - Collector plate weight before test) / Sample weight before test] × 100 Water vapor regained (WVR) (%) [(Sample weight after moisture absorption - Sample weight after test)/Sample weight before test] × 100 E. Pace - Tecnologie Spaziali

32 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Material outgassing    TML(%) CVCM(%) WVR(%) Material NASA NASDA Mylar 0.25 0.24 0.00 0.20 0.15 Kevlar 29 2.18 2.02 0.02 0.27 1.77 1.55 Teflon 0.01 0.04 Epoxy 1.07 1.20 0.30 0.17 Silicone SH1840 1.57 0.71    TML (%) CVCM (%) WVR (%) Material NASDA Overall average   Overall STD DEV. NASDA   RT-555SHRINK TUBING 0.208                      0.020      RSE13329 Silicone Wire Insulation                         CV-1142 Silicone 0.388    0.052  0.017 0.032 0.030 0.040 0.081 0.3314 CV2500 Silicone Nusil 0.149 0.145 0.028 0.007 0.009 0.003 0.013 0.016 E. Pace - Tecnologie Spaziali

33 Esempio: Outgassing connettori
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34 Esempio: lubrificante Torr lube
Vapor Pressure @ 38°C 1 x 10-8 torr @ 240°C 3 x 10-4 torr Viscosity 495 centistokes @ 98°C 43 centistokes Viscosity Indexes, ASTM D2270 145 Flammability DOES NOT BURN Surface 26°C 19.3 dynes/cm 100°C 1.78 g/ml Chemical Inertness NO REACTIVITY* * No reactivity between TorrLube and boiling sulfuric acid, flourine gas at 200° C, triflouride at 50° C, molten sodium hydroxide, or ethyl alcohol at room temp. E. Pace - Tecnologie Spaziali

35 Ossigeno atomico Particolarmente attivo in orbita bassa
Scattering riflessione Sputtering Formazione ossidi Chemi-luminescenza Particolarmente attivo in orbita bassa E. Pace - Tecnologie Spaziali

36 Effetti dell’ossigeno atomico
Sputtering Erosione dei materiali dovuta alla velocità relativa alla sonda di 8 km/s Valori tipici – 0.09 x cm3/atomo (Al-Kapton, Teflon) 2 – 4 x cm3/atomo (Polietilene, kapton) Dannoso per coatings, thermal blankets, pannelli solari, componenti ottici Degrado delle proprietà ottiche, termiche, meccaniche, elettriche E. Pace - Tecnologie Spaziali

37 Effetti dell’ossigeno atomico
Ossidazione Modifica delle proprietà dei materiali Esempi MoS2 se ossida diventa abrasivo Si SiO2 crack per proprietà termiche diverse variazioni di dimensioni Coatings protettivi: problemi di pinholes e micrometeoroidi Molto importanti le simulazioni sull’azione dell’ossigeno atomico sui materiali E. Pace - Tecnologie Spaziali

38 Test su effetti dell’ossigeno atomico
Test facility dell’ESA per esporre materiali all’azione dell’ossigeno atomico. L’energia degli atomi arriva a 5eV per simulare le condizioni ambientali delle orbite basse. E. Pace - Tecnologie Spaziali

39 Material strenght & fatigue lifetime
I gas assorbiti facilitano la formazione di cracks Ossidazione e diffusione dei gas assorbiti nel bulk del materiale Il vuoto migliora di circa un ordine di grandezza la vita media dei materiali Un materiale che migliora molto è il vetro E. Pace - Tecnologie Spaziali

40 Irraggiamento UV UV Danno a polimeri Modifiche elettriche
(embrittlement) Modifiche elettriche Resistività Modifiche ottiche Modifica della struttura dei legami chimici Esempio: Celle solari Opacità Caratteristiche termiche E. Pace - Tecnologie Spaziali

41 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Danno da radiazione Radiation damage Dose accumulata Degrado elettronica Degrado delle celle solari Displacement Single event effect Dielectric charging E. Pace - Tecnologie Spaziali

42 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Dose accumulata Il protone provoca maggiori danni dell’elettrone a causa del maggior momento E. Pace - Tecnologie Spaziali

43 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Displacement Si ha quando particelle penetrano nei materiali causando danni al reticolo cristallino. Si hanno allora stati energetici tra banda di valenza e banda di conduzione che causano perdita di efficienza di elettronica e rivelatori oppure dark current. Non-ionising energy loss (NIEL) NIEL include gli effetti del danneggiamento di eventi nucleari elastici o non elastici Charge Transfer Efficiency (CTE) parametro che misura l’efficienza di trasferimento di un pacchetto di carica nei rivelatori E. Pace - Tecnologie Spaziali

44 Effetti del displacement
In SPENVIS, l’attenuazione dei protoni incidenti da parte di uno schermo di alluminio è calcolata usando una routine di CREME programme suite. Quando si stabilisce l’ambiente ricco di particelle intorno ad un sensore, tipo un CCD, la variazione di CTE attesa in orbita è calcolata come segue. La costante di danneggiamento K(E) è definita come: DeltaCTE(E) = K(E) Phi(E) dove Phi(E) è il flusso di particelle di energia E, e K(E) = C NIEL(E) Lo spettro differenziale dei protoni mediato su un orbita e attenuato da un dato schermo di alluminio è usato per calcolare l’ammontare del danno causato ad ogni energia del protone. Il danno totale segue dall’integrazione del danno su tutto l’intervallo di energie: E. Pace - Tecnologie Spaziali

45 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Single event effect Il SEE risulta dall’azione di una singola particella energetica. SEE Single event upset SEU (soft error) Single event latchup SEL (soft or hard error) Single event burnout SEB (hard failure) E. Pace - Tecnologie Spaziali

46 E. Pace - Tecnologie Spaziali
SEU Definito dalla NASA come radiation-induced errors in microelectronic circuits caused when charged particles (usually from the radiation belts or from cosmic rays) lose energy by ionizing the medium through which they pass, leaving behind a wake of electron-hole pairs. Indotto da particelle energetiche che rilasciano impulsi di energia. Provocano errori transienti non distruttivi. Un reset o una riscrittura del componente (memorie) riattivano la normale funzionalità. Può avvenire nell’elettronica analogica, digitale, nei componenti ottici, oppure può avere effetti sulla circuiteria d’interfaccia. Un SEU appare tipicamente come un impulso transiente nella circuiteria di supporto o logica, o come un ‘bit flip’ nelle celle di memoria o nei registri. Un SEU grave si definisce ‘single-event functional interrupt’ (SEFI). Blocca le normali operazioni e richiede un reset di potenza per recuperare le normali funzioni operative. E. Pace - Tecnologie Spaziali

47 Effetto di SEU protonici
I protoni possono Ionizzare Provocare ‘spallazione’ E. Pace - Tecnologie Spaziali

48 E. Pace - Tecnologie Spaziali
SEL Condizione che causa la perdita del funzionamento di un dispositivo a causa di una corrente indotta da un singolo evento. I SEL sono potenzialmente distruttivi e causare danni permanenti Creano un eccesso di corrente durante il funzionamento del dispositivo, al di sopra delle specifiche, che può distruggerlo. La condizione ‘latched’ può distruggere il dispositivo, ridurre la tensione sul bus, o danneggiare il power supply. Inizialmente si pensava che i SEL fossero dovuti a ioni pesanti, tuttavia possono anche essere causati in dispositivi molto sensibili da protoni Un SEL può essere rimosso da un power off-on or power strobing del dispositivo. Se la potenza non viene rimossa rapidamente, può accadere un danno irreversibile dovuto a eccesso di riscaldamento, o rottura delle metallizzazioni o dei bonding. Il SEL dipende fortemente dalla temperatura: la soglia di latchup decresce ad alta temperatura e la sezione d’urto cresce. E. Pace - Tecnologie Spaziali

49 E. Pace - Tecnologie Spaziali
SEL: corrente indotta E. Pace - Tecnologie Spaziali

50 Linear energy transfer (LET)
Soglia del SEU LET Minimo valore di LET per causare un effetto SEU. Soglia del SEL LET Massimo valore di LET per non avere latchup Misurato in MeV cm2/mg @ 107 particles/cm2 E. Pace - Tecnologie Spaziali

51 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Soglie di SEL LET E. Pace - Tecnologie Spaziali

52 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Single event burnout Condizione che può causare la distruzione del dispositivo a seguito di un’elevata corrente che attraversa un transistor di potenza. Un SEB causa la rottura del dispositivo. Il SEB include Bruciatura di un power MOSFET, Rottura di un gate Bits congelati Rumore nei CCDs Un SEB può essere triggerato in un power MOSFET in stato OFF state (alta tensione di drain-source) quando uno ione pesante passando deposita una carica sufficiente a mettere il dispositivo in stato di ON. La suscettibilità ai SEB decresce al crescere della temperatura. E. Pace - Tecnologie Spaziali

53 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Rad-hardening Physical: Hardened chips are often manufactured on insulating substrates instead of the usual semiconductor wafers. Silicon oxide (SOI) and sapphire (SOS) are commonly used. While normal commercial-grade chips can withstand between 5 and 10 krad, space-grade SOI and SOS chips can survive doses many orders of magnitude greater. Shielding the package against radioactivity, to reduce exposure of the bare device. Capacitor-based DRAM is often replaced by more rugged (but larger, and more expensive) SRAM. Choice of substrate with wide band gap, which gives it higher tolerance to deep-level defects; eg. silicon carbide or gallium nitride. Use of depleted boron (consisting only of isotope Boron-11) in the borophosphosilicate glass layer protecting the chips, as boron-10 readily captures neutrons and undergoes alpha decay (see soft error). E. Pace - Tecnologie Spaziali

54 E. Pace - Tecnologie Spaziali
Rad-hardening Logical: Error correcting memory uses additional parity bits to check for and possibly correct corrupted data. Redundant elements can be used at the system level. Three separate microprocessor boards may independently compute an answer to a calculation and compare their answers. Any system that produces a minority result will recalculate. Logic may be added such that if repeated errors occur from the same system, that board is shut down. Redundant elements may be used at the circuit level. A single bit may be replaced with three bits and separate "voting logic" for each bit to continuously determine its result. This increases area of a chip design by a factor of 5, so must be reserved for smaller designs. But it has the secondary advantage of also being "fail-safe" in real time. In the event of a single-bit failure (which may be unrelated to radiation), the voting logic will continue to produce the correct result without resorting to a watchdog timer. System level voting between three separate processor systems will generally need to use some circuit-level voting logic to perform the votes between the three processor systems. Watchdog timer will perform a hard reset of a system unless some sequence is performed that generally indicates the system is alive, such a write operation from an onboard processor. During normal operation, software schedules a write to the watchdog timer at regular intervals to prevent the timer from running out. If radiation causes the processor to operate incorrectly, it is unlikely the software will work correctly enough to clear the watchdog timer. The watchdog eventually times out and forces a hard reset to the system. This is considered a last resort to other methods of radiation hardening. E. Pace - Tecnologie Spaziali