Lanci più sicuri per i payload grazie ai cristalli fononici

Uscire dall’atmosfera terrestre rappresenta una delle fasi più critiche e violente di una missione spaziale. La spinta generata durante i lanci dei razzi può raggiungere i 4 G, mettendo alla prova sia gli esseri umani, che si allenano a lungo per sopportarle, sia le macchine, che devono essere progettate per resistere a tale intensità di forza. Un singolo componente fragile – uno specchio, un giunto, una saldatura – può danneggiarsi prima ancora che un satellite o una sonda inizino la loro missione, compromettendo anni di lavoro e causando perdite economiche ingenti.

Un gruppo di ricercatori svizzeri ha presentato una soluzione che punta a ridurre questo rischio, limitando la propagazione delle vibrazioni a partire dal momento del lancio.

L’idea è intervenire direttamente sul payload adapter, la struttura di giunzione che collega il satellite al razzo e che rappresenta il principale punto di trasmissione delle vibrazioni. All’interno del fairing (il cono di prua del razzo), un satellite non è, infatti, semplicemente adagiato nello spazio disponibile. Al contrario, viene saldamente ancorato a questa interfaccia, che sfrutta supporti meccanici estremamente rigidi per impedire qualsiasi movimento del veicolo spaziale durante le dinamiche fasi del volo. Tuttavia, proprio a causa di questa elevata rigidità strutturale, l’adattatore agisce come un conduttore ideale per le sollecitazioni meccaniche, trasmettendo al satellite tutte le vibrazioni generate dai motori, in particolare quelle longitudinali, che scuotono l’intero carico utile dall’alto verso il basso, in perfetta sincronia con il vettore.

Le soluzioni impiegate finora per mitigare il problema riguardavano per lo più l’utilizzo di enormi cuscini in gomma, che tuttavia vantano una lunga cronistoria di anomalie e guasti in ambiente spaziale, legata al degrado dei materiali nel vuoto; o, in alternativa, l’adozione di ammortizzatori motorizzati o attivi i quali, pur essendo efficaci, presentano lo svantaggio di aumentare notevolmente la massa totale, sottraendo peso prezioso alla capacità di carico utile del vettore.

Il nuovo, ingegnoso, sistema sviluppato dai Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali, l’Empa, insieme all’azienda aerospaziale Beyond Gravity è, invece, basato sui cristalli fononici, materiali artificiali progettati per controllare, piegare o bloccare completamente la propagazione delle onde meccaniche, in modo simile a come i cristalli fotonici manipolano la luce.

Il dispositivo utilizza una serie di anelli di alluminio integrati nella struttura: quando le vibrazioni longitudinali attraversano il sistema, gli anelli ruotano leggermente, convertendo parte dell’energia in un movimento diverso e più facile da dissipare. Non è un ammortizzatore tradizionale, ma un filtro meccanico che modifica il modo in cui l’onda vibrazionale si propaga. Nei test di laboratorio e nelle simulazioni, questa configurazione ha mostrato una riduzione significativa delle sollecitazioni più critiche. In prospettiva, potrebbe aprire la strada a missioni più ambiziose, meno costose e consentire persino il lancio di payload fragili, come ottiche più sottili o sensori quantistici sensibili, che altrimenti verrebbero distrutti dalle vibrazioni di lancio.

Anche se prima di arrivare a un’applicazione reale servirà ancora tempo per ulteriori verifiche e certificazioni, questa innovazione, per la quale Beyond Gravity ha depositato un brevetto, rappresenta un passo concreto verso un ambiente di lancio meno ostile e più sicuro, che consentirà di progettare satelliti con meno rinforzi, maggiore capacità di carico utile e più libertà per strumenti scientifici delicati.

Guarda il video che mostra il test di vibrazione di un adattatore di carico utile: