IL LABORATORIO ICAPS/IMPF
Scritto da Luca Frigerio   
La prima apparecchiatura dell'ESA di ricerca sul plasma e sulla fisica della polvere, a bordo dell'ISS. Libera traduzione ed adattamento dell'articolo "The ICAPS/IMPF Laboratory" di Roland Seurig, Christian Schmidt-Harms, Gregor E. Morfill e Jurgen Blum; apparso sul numero 12, del Marzo 2003 della rivista "On Station. The Newsletter of Hum

Introduzione
I laboratori International Microgravity Plasma Facility (IMPF) e Interactions in Cosmic and Atmospheric Particle Systems (ICAPS) sono destinati ad essere i primi macchinari da ricerca sulla fisica del plasma e delle polveri dell'ESA, ospitati a bordo dell'ISS. L'IMPF investigher? i cosiddetti plasma complessi (come quelli recentemente scoperti e denominati "Plasma Crystals"), mentre l'ICAPS studier?, per esempio, i meccanismi di formazione dei pianeti partendo dalle nubi di polveri, e le interazioni esistenti nella nostra atmosfera fra le particelle e ed il tempo metereologico.
L'European Programme for Life and Physical Science Research in Space (ELIPS) ? stato approvato dalla Ministerial Conference di Edinburgh (UK) nel Novembre 2001. Nel Settembre del 2002, a seguito di questo step, il Consiglio dell'Human Spaceflight Research and Application Programme ha approvato l'inizio dello studio della Phase-B dell'ICAPS/IMPF Laboratory. L'appalto industriale per la Phase-B ? previsto per gli inizi del 2003.
I due esperimenti IMPF e ICAPS, erano stati pensati come due entit? differenti, con differenti processi di sviluppo, all'inizio della fase di studio, ma durante la Phase-A, il comitato di controllo aveva raccomandato l'unione dei due esperimenti. Cosa che ? avvenuta nel Maggio del 2002. Questa unione ha fornito agli ingegneri ed ai ricercatori la strada migliore per la realizzazione di entrambi i progetti, evitando la perdita degli originali obiettivi scientifici, di questi progetti unici. Essi condividono hardware, l'alloggio sull'ISS con i relativi servizi, nonch? la gestione della trasmissione dei dati, eliminando perci? la duplicazione dei processi costosi di sviluppo costruzione e qualificazione dei vari sistemi.

Storia dell'ICAPS e Drivers Scientifici
L'ICAPS svolger? ricerche sulle interazioni dei sistemi delle particelle cosmiche ed atmosferiche in condizioni di microgravit?.
Perch? "spegnere la gravit?"? In una nube di povere posta in un laboratorio terrestre, la gravit? spinge le particelle pi? grandi a sedimentare, influenzando la diffusione turbolenta e portando la nube collassare completamente. Per simulare la formazione dei pianeti nei laboratori terrestri, e comprendere ulteriormente i processi di formazione del Sistema Solare, oppure per comprendere come le particelle interagiscono nella nostra atmosfera, abbiamo bisogno contrastare l'aggregazione e l'evoluzione delle nubi di polvere in un ambiente gestibile, senza dover fare i conti con la gravit?.
A bordo dell'ISS, la microgravit? pu? essere mantenuta per almeno 30 giorni, permettendo ai ricercatori di simulare i processi che entrano in gioco nella crescita dei pianeti da piccole nubi di polvere.
In risposta all'Announcement of Opportunity dell'ESA relativo a "Physical Sciences and Microgravity Applications (AO 98/99)"; il Topical Team dell'ESA per l'ICAPS ha sottoposto la proposta scientifica AO-99-918. Lo studio di fattibilit? della Phase-A, finanziato dall'ESA, ? stato completato nel Settembre del 2002 dalla Kayser-Threde (D), e dalla subappaltatrice Nubila (I), in stretta cooperazione con l'estesa comunit? scientifica internazionale di utilizzatori. Una vasta gamma di esperimenti sull'aggregazione delle polveri tenter?, quindi di comprendere i processi di formazione planetaria. Inoltre, l'ICAPS, indirizzer? le altre domande chiave riguardanti le minuscole particelle di polvere presenti nel nostro Sistema Solare. Per esempio, ICAPS studier? una simulazione della polvere cometaria. Fino a quando il lander di Rosetta non atterrer? su una cometa, l'unico modo per comprendere il comportamento e la formazione dei nuclei cometari ? quello di fare osservazioni delle interazioni e della diffusione della luce solare con il ghiaccio e le polveri eiettate dai nuclei cometari, al loro passaggio nelle vicinanze della nostra stella.
Le superfici degli asteroidi sono ricoperte da "regolite", strati di frammenti e detriti rocciosi non compatti e reltivamente soffici. La formazione e l'evoluzione della regolite dipendono dalla gravit? dell'asteroide e dalle propriet? meccaniche delle particelle che compongono questi strati. L'ICAPS verr? usato per studiare questi strati di polvere e le loro caratteristiche fisiche.
Inoltre questa apparecchiatura studier? i sistemi di interesse per le scienze riguardanti l'atmosfera e gli aerosol. Se non ci fossero state particelle di polvere o vapore acqueo nella nostra atmosfera, il tempo metereologico sarebbe stato molto differente. Attualmente, non ? possibile prevedere quando e dove una nuvola inizier? a far cadere la pioggia; l'ICAPS studier? quindi le interazioni degli aerosols con le gocce o con i cristalli di ghiaccio in scale di tempi atmosferici, per mezzo di modelli di nubi di inquinanti e precipitanti.
L'ICAPS offre anche delle eccitanti prospettive per quanto riguarda la ricerca a lungo termine sulle applicazioni industriali.
Potenzilmente le applicazioni industriali includono lo sviluppo delle tecnologie dell'aerosol, il miglioramento delle strategie dell'abbattimento e dei dispositivi di pulizia dalle particelle. Le tecniche di light-scattering vengono gi? impiegate nell'industria cartiera per il controllo dello sbiancamento e della qualit? della carta, ma l'ICAPS migliorer? le nostre conoscenze sul light-scattering sia nella teoria che sperimentalmente.
A seguito del lavoro dell'ESA Topical Team "Physico Chemistry of Ices in Space", si prevede l'aggiunta all'ICAPS di un "ice experiment" capace di raggiungere pressioni e temperature molto basse, forse a partire dal 2012. Questo strumento non solo sar? in grado di raggiungere condizioni ambientali realisticamente "simil-spaziali", ma permetter? ai ricercatori, per la prima volta, di simulare con precisione le condizioni alle quali le stelle, i pianeti e le comete si formano, e di studiare le propriet? fisiche e chimiche della polvere in queste regioni dello spazio.
Per ulteriori informazioni ? possibile visitare il sito: www.icaps.org.

Storia dell'IMPF e Drivers Scientifici
L'IMPF investigher? i plasma complessi in condizioni di microgravit?. Inizialmente sviluppato in risposta allo stesso Announcement of Opportunity per il quale ? stato ideato l'ICAPS, il suo Phase-A Feasibility Study and Special Development, durante il quale diverso hardware considerato critico ? stato testato in campagne di volo parabolico, ha ricevuto i fondi da DLR. Questo studio di fattibilit? della Phase-A, finanziato, come detto, da DLR, ? stato concluso nel Dicembre del 2001 dalla Kayser-Threde in stretta collaborazione con il Max-Planck-Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) e con la comunit? scientifica degli utilizzatori finali.
Un plasma complesso contiene ioni, elettroni, gas neutri e particelle micronizzate a bassa temperatura. Queste micro-particelle sono altamente caricate, ed ognuna di esse pu? raccogliere sulla sua superficie fino a 100000 elettroni. Esse perci? interagiscono fortemente tramite la forza elettrostatica (Coulomb). Queste interazioni hanno dato il via ad una serie di osservazioni di fenomeni assolutamente nuovi, inclusi il "cristallo di plasma" di un struttura di microparticelle auto-organizzate ed ordinate che ? stato osservato per la prima volta presso il MPE nel 1994.
Il plasma complesso ? un sistema unico che pu? essere usato per studiare diversi importanti processi fondamentali della fisica, come la cristallizzazione ed altre transizioni di fase (come la transizione vetrosa), a livelli microscopici e di cinetica.
Inoltre, le interazioni fra i plasma e le micro-particelle sono di grande interesse per l'astrofisica, dove la formazione della polvere nelle atmosfere stellari, la formazione dei pianeti, ed anche la formazione delle stelle stesse, pu? avvenire sotto condizioni di "dusty plasma".
Le applicazioni tecnologiche includono anche la decontaminazione dalla polvere nelle fasi di produzione dei microchip, tramite l'azione del plasma.
L'esperimento "PKE Nefedov" a borodo dell'ISS ha gi? evidenziato alcuni sorprendenti nuovi comportamenti dei plasma complessi in condizioni di microgravit?, incluse le strutture superficiali dei plasma complessi e le transizioni dilatate indotte dalle cariche. L'IMPF sar? un'apparecchiatura modulare a lungo termine, che permetter? lo studio sistematico degli aspetti fondamentali e delle applicazioni dei plasma complessi, in risposta agli eccitanti ed insperati risultati fin qui ottenuti e che via via si otterranno.
Tramite la telescienza, l'IMF sar? disponibile per diversi gruppi di ricerca internazionali, permettendo cos? agli scienziati di sfruttare in pieno l'apparecchiatura, facendo importanti e rapidi progressi nella ricerca sui plasma complessi.
Per ulteriori informazioni sull'IMPF ? possibile visitare il sito: www.mpe.mpg.de/www_th/plasma-crystal/index-e.html

Il Design Concept del Laboratorio
Per massimizzare l'utilizzo dell'hardware esistente, l'ICAPS/IMPF verr? ospitato nel modulo Columbus dell'ESA installato in una International Standard Payload Rack (ISPR) giapponese con l'ausilio di Standard Active Containers (SACs). I servizi di supporto comuni, come il vuoto ed il controllo dei gas, ed il sistema di acquisizione dei dati in tempo reale "high-speed/high volume", sono integrati nel 4-PU ("Panel Unit") e 8-PU dei SACs. Tipicamente, tutti gli "inserti" dell'esperimento verranno integrati nel 12-PU SACs, che offre una capacit? di carico di 110 litri, 56 Kg e 560 W di potenza. Questo design modulare permette una riconfigurazione orbitale pi? veloce e pi? facile anche per esperimenti pi? grandi.
Il design del laboratorio ? un multi-user concept, con un elevato grado di modularit? a livello delle infrastrutture del laboratorio, e degli esperimenti individuali. Questo permetter? agli ingegneri ed agli scienziati di fare un uso completo e ottimale della struttura, per tutto l'arco di vita operativa dell'ISS, e forse anche per pi? di una generazione di utilizzatori, al di l? della durata dei teams di ricercatori esistenti.
Inoltre, esso permette multiple ripetizioni delle corse degli esperimenti, aspetto fondamentale per la verifica di nuove ed inattese osservazioni, e per la credibilit? scientifica da garantire in letteratura. Saranno possibili reazioni e responsi rapidi agli esperimenti, secondo i vari protocolli scientifici sia "on-orbit" che via telescienza, oltre ad aggiornamenti e rifornimenti dei moduli sempre "on-orbit".

Programma
A seguito dell'approvazione del budget della Phase-C/D per il 2004, da parte dell'Human Spaceflight Research and Application Programme Board, il laboratorio ICAPS/IMPF verr? reso disponibile per la comunit? scientifica internazionale a partire dal 2008, a bordo del modulo Columbus dell'ESA.
Per ulteriori informazioni sulle opportunit? di ricerca, gli interessati possono contattare l'ISS Utilisation and Microgravity Promotion Division (MSM-GAP) presso l'ESTEC: Questo indirizzo e-mail è protetto dallo spam bot. Abilita Javascript per vederlo. .

 

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