Corso di Tecnologie Spaziali Lezione 8 Lambiente spaziale

Corso di Tecnologie Spaziali – Lezione 8 L’ambiente spaziale Dr. Emanuele Pace Dicembre 2015

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

Sistema Sole-Terra 1 U. A. =1. 5 108 km 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/cm 2 Densità dell’atmosfera terrestre s. l. m. 3 x 1019 molecole/cm 3 E. Pace - Tecnologie Spaziali 3

Sistema Sole-Terra v Fotosfera a 5800 K emette nel VIS-UV v Cromosfera 105 K emette nell’UV-VUV v Corona 106 -108 K emette VUV-raggi X v Potenza emessa 3. 85 x 1026 W v Vento solare con velocità 450 km/s e densità 9 protoni/cm 3 v Coronal Mass Ejections E. Pace - Tecnologie Spaziali 4

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

Spettro solare E. Pace - Tecnologie Spaziali 6

Variabilità solare E. Pace - Tecnologie Spaziali 7

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

Cicli di macchie solari E. Pace - Tecnologie Spaziali 9

Effetti v L’irraggiamento UV danneggia i materiali per esposizioni prolungate, in particolare la regione tra 200 -350 nm v Il vento solare danneggia l’elettronica di bordo dei satelliti riducendone le prestazioni o provocando guasti. v I CME possono interrompere trasmissioni radio, provocare blackouts di potenza e causare danni a satelliti e all’elettronica di trasmissione dei dati. v L’emissione radio associata al ciclo delle macchie solari può interferire con le trasmissioni terrestri E. Pace - Tecnologie Spaziali 10

L’ambiente terrestre v Dominato dall’atmosfera e dal campo magnetico v La pressione a terra 1. 013 x 105 Pa e la turbolenza rende omogenea la mistura dei gas componenti v A quote superiori a 120 km i costituenti l’atmosfera sono disaccoppiati e dominano i processi di fotodissociazione dovuti a irraggiamento UV v 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 11

Pressione vs. altitudine v Media al livello del mare 1013 mb v 5 km limit of human settlement) 500 mb (upper v 10 km 280 mb v 20 km 56 mb v 50 km 1 mb v 100 km E. Pace - Tecnologie Spaziali 0. 00056 mb 12

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 13

Temperatura atmosfera E. Pace - Tecnologie Spaziali 14

Densità di massa E. Pace - Tecnologie Spaziali 15

Densità parziali E. Pace - Tecnologie Spaziali 16

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

Albedo = % energia incidente riflessa da un corpo v Neve fresca: 75 – 95% v Neve vecchia: 40 – 60% v Deserto: 25 – 30% v Foresta decidua, prati: 15 – 20% v Foresta di conifere: v Mare calmo E. Pace - Tecnologie Spaziali 5 – 15% 5% 18

Global Albedo E. Pace - Tecnologie Spaziali 19

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 20

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Frequenze di trasmissione dati ITU Band Frequency VHF 138 - 144 MHz 216 - 225 MHz UHF 420 - 450 MHz 890 - 942 MHz L 1. 215 - 1. 400 GHz S 2. 3 - 2. 5 GHz 2. 7 - 3. 7 GHz C 5. 250 - 5. 925 GHz X 8. 500 - 10. 680 GHz Ku 13. 4 - 14. 0 GHz 15. 7 - 17. 7 GHz K 24. 05 - 24. 25 GHz Ka 33. 4 - 36. 0 GHz E. Pace - Tecnologie Spaziali 22

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

Impatto sul progetto di una sonda v Orbite complanari Ø Inclinazione i < 4° eccetto Mercurio (7°) e plutone (17. 15°) Ø Sono richiesti leggeri cambi di piano Ø Grande risparmio sul carburante Ø Sfruttamento dell’effetto “fionda gravitazionale” v Orbite circolari Ø Eccentricità e < 0. 1 eccetto Mecurio (0. 206) e Plutone (0. 248) Ø Leggere variazioni di temperatura nelle orbite planetarie v Temperatura T (re/rp)2 [U. A. ] v Vento solare Ø Domina lo spazio interplanetario Ø Densità (1/r)2 E. Pace - Tecnologie Spaziali 24

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

Micrometeoriti E. Pace - Tecnologie Spaziali 26

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 Costituenti principali Quantità Percentuale Azoto N 2 87 -99 Argon Ar 0 -6 Metano CH 4 1 -6 Altri Costituenti Idrogeno parti per milione H 2 2000 Etanolo C 2 H 6 20 Acetilene C 2 H 2 4 Etilene C 2 H 4 1 Propano C 3 H 8 1 Metilacetilene C 3 H 4 0. 03 Diacetilene C 4 H 2 0. 02 Hydrogen Cyanide HCN 1 Cynaogen C 2 N 2 0. 02 HC 3 N 0. 03 Idrocarburi Composti dell’azoto Cyanoacetilene Acteonitrile CH 3 CN 0. 003 Composti dell’ossigeno Monossido di carbonio E. Pace - Tecnologie Spaziali Anidride cabornica CO 50 CO 2 0. 01 27

Campo magnetico di Giove E. Pace - Tecnologie Spaziali 28

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

Outgassing v Le strutture non ricevono danni v Elettronica e ottiche possono essere danneggiati v Plastiche e ossidi particolarmente sensibili v Dannoso l’outgassing iniziale di elementi adsorbiti e dell’acqua v I lubrificanti normali degassano Ø Lubrificanti solidi o a bassa volatilità (Mo. S 2) E. Pace - Tecnologie Spaziali 30

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

Material outgassing TML(%) CVCM(%) NASA Material NASDA WVR(%) NASA NASDA Mylar 0. 25 0. 24 0. 00 0. 20 0. 15 Kevlar 29 2. 18 2. 02 0. 27 1. 77 1. 55 Teflon 0. 01 0. 02 0. 00 0. 04 Epoxy 1. 07 1. 20 0. 01 0. 04 0. 30 0. 17 Silicone SH 1840 1. 57 1. 74 - 1. 90 0. 71 0. 66 - 0. 82 0. 01 0. 00 - 0. 05 TML (%) CVCM (%) WVR (%) NASDA Overall average Overall STD DEV. RT 555 SHRINK TUBING 0. 208 0. 236 0. 034 0. 003 0. 023 0. 018 0. 042 0. 057 0. 020 RSE 13329 Silicone Wire Insulation 1. 039 1. 135 0. 232 0. 275 0. 123 0. 016 0. 064 0. 082 CV-1142 Silicone 0. 388 0. 404 0. 052 0. 017 0. 032 0. 030 0. 040 0. 081 0. 3314 CV 2500 Silicone Nusil 0. 149 0. 145 0. 028 0. 007 0. 009 0. 003 0. 016 Material E. Pace - Tecnologie Spaziali 32

Esempio: Outgassing connettori E. Pace - Tecnologie Spaziali 33

Esempio: lubrificante Torr lube Vapor Pressure Viscosity @ 38°C 1 x 10 -8 torr @ 240°C 3 x 10 -4 torr @ 38°C 495 centistokes @ 98°C 43 centistokes Viscosity Indexes, ASTM D 2270 145 Flammability DOES NOT BURN Surface Tension @ 26°C 19. 3 dynes/cm Density @ 100°C 1. 78 g/ml Chemical Inertness NO REACTIVITY* E. Pace - Tecnologie Spaziali * No reactivity between Torr. Lube and boiling sulfuric acid, flourine gas at 200° C, triflouride at 50° C, molten sodium hydroxide, or ethyl alcohol at room temp. 34

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

Effetti dell’ossigeno atomico v Sputtering Ø Erosione dei materiali dovuta alla velocità relativa alla sonda di 8 km/s Ø Valori tipici 0. 01 – 0. 09 x 10 -24 cm 3/atomo (Al-Kapton, Teflon) 2 – 4 x 10 -24 cm 3/atomo (Polietilene, kapton) Ø Dannoso per coatings, thermal blankets, pannelli solari, componenti ottici Ø Degrado delle proprietà ottiche, termiche, meccaniche, elettriche E. Pace - Tecnologie Spaziali 36

Effetti dell’ossigeno atomico v Ossidazione Ø Modifica delle proprietà dei materiali Ø Esempi Mo. S 2 se ossida diventa abrasivo Si Si. O 2 crack per proprietà termiche diverse variazioni di dimensioni Ø Coatings protettivi: problemi di pinholes e micrometeoroidi Ø Molto importanti le simulazioni sull’azione dell’ossigeno atomico sui materiali E. Pace - Tecnologie Spaziali 37

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

Material strenght & fatigue lifetime Strenght fatigue lifetime I gas assorbiti facilitano la formazione di cracks Ossidazione e diffusione dei gas assorbiti nel bulk del materiale 1. Il vuoto migliora di circa un ordine di grandezza la vita media dei materiali 2. Un materiale che migliora molto è il vetro E. Pace - Tecnologie Spaziali 39

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

A look at Earth: the geomagnetic field ü 11 o tilt from rotation axis ü Inverted dipole ü Offset from centre of Earth ü Dipole moment 8*1015 Tm 3 (30. 4 T R 3 Earth) ü Multipole terms ü Time dependent terms ü Interaction with solar wind

Le fasce di radiazione (o di Van Allen) ü Zone in cui le particelle sono intrappolate dal campo magnetico terrestre. ü Il flusso di particelle è ordini di grandezza maggiore dell’esterno ü Scoperte dal gruppo di Van Allen nel 1958 con un Geiger a bordo dell’Explorer 1 ü Elettroni e protoni sono costretti a spiraleggiare lungo le linee di forza del campo geomagnetico. Costituiscono un pericolo per i satelliti.

elettroni protoni

Qui la figura 7. 1 da galper

elettroni, E>1 Me. V a 500 km di altezza Protoni, E>10 Me. V a 500 km di altezza

Effetto bottiglia v Se il campo magnetico B non è omogeneo, la particella sarà soggetta ad un moto a spirale con raggio ( e velocità di rotazione) variabile v Se alle estremità B è molto intenso e ha una componente radiale, può riflettere la particella; se questo avviene alle due estremità si ha la “bottiglia magnetica”

Danno da radiazione Radiation damage Dose accumulata Degrado elettronica Degrado delle celle solari Displacement Single event effect Dielectric charging E. Pace - Tecnologie Spaziali 48

Dose accumulata Il protone provoca maggiori danni dell’elettrone a causa del maggior momento E. Pace - Tecnologie Spaziali 49

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. v v v 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 50

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: Delta. CTE(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 51

Single event effect v Il SEE risulta dall’azione di una singola particella energetica. SEE Single event upset Single event latchup SEU SEL (soft error) (soft or hard error) Single event burnout SEB (hard failure) E. Pace - Tecnologie Spaziali 52

SEU v 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. v Indotto da particelle energetiche rilasciano impulsi di energia. v Provocano errori transienti non distruttivi. Un reset o una riscrittura del componente (memorie) riattivano la normale funzionalità. v Può avvenire nell’elettronica analogica, digitale, nei componenti ottici, oppure può avere effetti sulla circuiteria d’interfaccia. v 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. v 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 53

Effetto di SEU protonici v I protoni possono • Ionizzare • Provocare ‘spallazione’ E. Pace - Tecnologie Spaziali 54

SEL v Condizione che causa la perdita del funzionamento di un dispositivo a causa di una corrente indotta da un singolo evento. v I SEL sono potenzialmente distruttivi e causare danni permanenti v Creano un eccesso di corrente durante il funzionamento del dispositivo, al di sopra delle specifiche, che può distruggerlo. v La condizione ‘latched’ può distruggere il dispositivo, ridurre la tensione sul bus, o danneggiare il power supply. v Inizialmente si pensava che i SEL fossero dovuti a ioni pesanti, tuttavia possono anche essere causati in dispositivi molto sensibili da protoni v 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. v Il SEL dipende fortemente dalla temperatura: la soglia di latchup decresce ad alta temperatura e la sezione d’urto cresce. E. Pace - Tecnologie Spaziali 55

SEL: corrente indotta E. Pace - Tecnologie Spaziali 56

Linear energy transfer (LET) v Soglia del SEU LET • Minimo valore di LET per causare un effetto SEU. v Soglia del SEL LET • Massimo valore di LET per non avere latchup v Misurato in Me. V cm 2/mg @ 107 particles/cm 2 E. Pace - Tecnologie Spaziali 57

Soglie di SEL LET E. Pace - Tecnologie Spaziali 58

Single event burnout v Condizione che può causare la distruzione del dispositivo a seguito di un’elevata corrente che attraversa un transistor di potenza. v Un SEB causa la rottura del dispositivo. v Il SEB include • • Bruciatura di un power MOSFET, Rottura di un gate Bits congelati Rumore nei CCDs v 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. v La suscettibilità ai SEB decresce al crescere della temperatura. E. Pace - Tecnologie Spaziali 59

Rad-hardening v Physical: Ø 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. Ø Shielding the package against radioactivity, to reduce exposure of the bare device. Ø Capacitor-based DRAM is often replaced by more rugged (but larger, and more expensive) SRAM. Ø Choice of substrate with wide band gap, which gives it higher tolerance to deep-level defects; eg. silicon carbide or gallium nitride. Ø Use of depleted boron (consisting only of isotope Boron 11) in the borophosilicate glass layer protecting the chips, as boron-10 readily captures neutrons and undergoes alpha decay (see soft error). E. Pace - Tecnologie Spaziali 60

Rad-hardening v Logical: Ø Error correcting memory uses additional parity bits to check for and possibly correct corrupted data. Ø 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. Ø 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. Ø 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 61