In dettaglio
La camera al plasma sviluppata presso INAF-IAPS è una facility in grado di riprodurre un grande volume di plasma ionosferico e interplanetario (vento solare).
Attivo dal 1988, sono diversi i miglioramenti studiati e applicati al fine di aumentare le prestazioni di ciascun sottosistema (vuoto, sorgenti di plasma, diagnostica al plasma, acquisizione dati, soluzioni meccaniche per la movimentazione remota dei payload, etc…).
La sua peculiarità è principalmente dovuta a sorgenti che producono plasma con valori dei parametri caratteristici (ovvero densità, temperatura elettronica ed energie ioniche) nell’intervallo di quelli riscontrati nella ionosfera e nello spazio interplanetario. Il plasma generato dalla sorgente viene accelerato nella camera ad una velocità che può essere regolata per simulare sia il moto relativo di un oggetto in orbita nella ionosfera (@ 8 km / s) sia la velocità del vento solare (> 300 km / s ). Questa caratteristica, in particolare, consente simulazioni di laboratorio dei fenomeni di compressione e deplezione tipici delle regioni di ram e wake attorno ai satelliti ionosferici.
La struttura è inoltre dotata di un sistema di bobine magnetiche a due assi in grado di controllare il campo magnetico ambientale. Pertanto, il fascio di plasma e il valore di campo magnetico possono essere impostati per riprodurre le condizioni incontrate dai satelliti in orbite equatoriali e polari.
L’ampiezza del campo può essere variata tra 10-6 e 10-4 T. Il campo residuo è sufficiente per considerare il plasma non magnetizzato, essendo il raggio di girazione degli elettroni (con Te @ 2000 K) dello stesso ordine delle dimensioni della camera ( cioè il movimento degli elettroni non è dominato dal campo ma piuttosto dalle collisioni con la parete della camera).
Le principali attività sperimentali riguardano:
- Progettazione e sviluppo di strumenti di plasma e relative attività di test e calibrazione
- Test di compatibilità con il plasma spaziale per materiali, e tecnologie per applicazioni spaziali
- Esperimenti di Fisica del plasma come interazioni con ambienti e sostanze per valutare cambiamenti e generazione di popolazioni di plasma secondarie (scambio di carica) nonché interazioni con corpi magnetizzati e valutazione dell’efficienza di propulsioni spaziali.
Attività scientifica
- Due missioni TSS-NASA
L’esperimento si basava sugli effetti del campo magnetico che produce un campo elettrico lungo il cavo ottenendo diversi kV tra le due terminazioni. Sono stati condotti gli esperimenti TEMAG e RETE (Research of Electrodynamic Tether Effects) per studiare i campi elettromagnetici attorno al satellite e al “tether”. Un modello in scala (10 volte più piccolo) è stato sviluppato nei laboratori della camera al plasma per analizzare la formazione di plasma sheaths a diverse polarizzazioni della sorgente di catodo cavo. Inoltre, un electron gun, necessario per controllare il potenziale del veicolo spaziale durante le operazioni, è stato testato in un ambiente al plasma reale ed è stata utilizzata per l’addestramento tecnico per gli astronauti coinvolti in quella missione.
- Il satellite di astronomia a raggi X BeppoSAX, un progetto Italia-Olanda, i cui dispositivi ottici sono stati controllati nella camera al plasma per valutare il decadimento delle prestazioni dovuto all’erosione del plasma e quindi lo sviluppo di una griglia polarizzata per ridurre questo effetto.
- Cooperazione allo sviluppo di sensori al plasma per alcuni sounding rockets (NSSC).
- Satellite CSES-01; test e calibrazione per EFD-01 EM (INFN), sonde Langmuir e Plasma Analyzer (NSSC).
SWIPS è attualmente coinvolto nella missione spaziale cinese CSES-02 per lo sviluppo dello strumento EFD-02 e test e calibrazione di altri payload.
Per il progetto CSES-02, quattro rivelatori di campo elettrico (EFD-02) e l’elettronica all’interno del satellite, sono in fase di sviluppo e avranno lo scopo di monitorare i campi elettromagnetici (da DC fino a 3,5 MHz) per lo studio di disturbi ionosferici possibilmente correlati sia allo Space Weather che ai meccanismi di preparazione dell’attività sismica.
La facility viene inoltre usata per validare e calibrare i prototipi di Plasma Analyzer e Electric field/Langumuir probe per cubesat, in fase di sviluppo per i programmi PNR-PE15.
La struttura è inoltre regolarmente coinvolta in programmi di PCTO e attività di divulgazione, ed è inoltre disponibile per collaborazioni promosse dal Gruppo di Lavoro Tecnologico della Space Weather Italian Community.
Caratteristiche
Caratteristiche tecniche:
Volume interno ≈ 9 m3
Caratteristiche del Plasma ionosferico:
mi= 40 a.u. (Ar)
Te=2000–4000 K
ne≈ ni ≈ 1011-1012m-3
vi ≈ 8 km/s
Caratteristiche del plasma interplanetario:
mi= 4 a.u. (He)
Te=10000–20000 K
ne ≈ ni ≈ 107m-3,
vi ≈ 350 km/s