La Scienza di Samantha: Lumina

In un veicolo spaziale, sia esso abitato o no, al fine di proteggere sia l’equipaggio sia i vari sistemi elettronici di bordo, è fondamentale avere degli affidabili sistemi di monitoraggio delle radiazioni.

Lumina è un dosimetro a fibra ottica, in grado di misurare in tempo reale il livello di radiazioni ricevute, sfruttando la caratteristica delle fibre ottiche di scurirsi quando esposte alle radiazioni.

Le fibre ottiche sono radiosensibili e si scuriscono se esposte a una sorgente di radiazioni. Questa opacizzazione, permette la precisa misurazione dell’attenuazione del segnale inviato lungo la fibra stessa, la quale è proporzionale alla dose di radiazione ionizzante ricevuta, associata agli elettroni, ai protoni, ai neutroni, ai raggi gamma e a quelli X. Il dosimetro Lumina ha il vantaggio di essere molto resistente alle condizioni estreme dello spazio, in particolare alle variazioni di temperatura. È dotato di due bobine di fibra ottica lunghe diversi chilometri e operanti rispettivamente nel visibile e nell’infrarosso.

Il team

Dal punto di vista scientifico, l’esperimento Lumina è gestito dal laboratorio Hubert Curier dell’Università Jean Monnet di Saint-Étienne, Francia, il quale ne ha curato anche lo sviluppo assieme all’azienda francese iXblue di St. Germain en Loye, al CERN di Ginevra, Svizzera, al CADMOS (Centre d’Aide au Développement des activités en Micropesanteur et des Opérations Spatiales) e dall’agenzia spaziale francese CNES. Il CADMOS è anche il centro di controllo da cui vengono eseguite le operazioni di Lumina.

Applicazioni

In ambito astronautico è noto che il monitoraggio delle radiazioni ionizzanti è un argomento fondamentale per le future missioni di esplorazione spaziale. Un sistema integrato, robusto e basato sulle fibre ottiche, in grado di fornire misurazioni in tempo reale della fluttuazione dei livelli di radiazioni ionizzanti, potrebbe essere di fondamentale aiuto per prevedere picchi di radiazioni permettendo così una pronta reazione a questi eventi pericolosi.

Sulla Terra, questo genere di dosimetri ha delle promettenti applicazioni nelle industrie medicali e nucleari.

Descrizione

L’obiettivo principale dell’esperimento Lumina è dimostrare la capacità di un dosimetro a fibre ottiche di misurare, in tempo reale, la dose di radiazioni sulla Stazione Spaziale Internazionale in reali condizioni di volo spaziale. Ciò significa tenere conto di diversi fattori, quali ad esempio la varietà dello spettro di radiazioni ionizzanti presenti in tale ambiente (in termini di tipologia di radiazione, flusso ed energia) da una parte, e dall’altra la maneggevolezza, facilità di installazione e di utilizzo, operatività da remoto (affidabilità, ampiezza di banda richiesta), valutazione del consumo elettrico e semplicità di utilizzo dell’interfaccia software.

Secondariamente, si intende accrescere le conoscenze scientifiche riguardanti il comportamento delle fibre ottiche nei campi del visibile e dell’infrarosso, quando esposte a una bassa dose di radiazioni per periodi estesi nello spazio.

L’hardware di Lumina è giunto sulla ISS il 12 agosto 2021, a bordo del cargo Cygnus CRS-2 NG-16 ed è stato attivato per la prima volta il 18 agosto 2021 dall’astronauta dell’ESA Thomas Pesquet. Si prevede che debba restare in orbita almeno fino a settembre 2023.

Samantha Cristoforetti, durante la sua missione Minerva, svolge alcune funzioni di routine per scaricare i dati scientifici a terra.

Il dosimetro attivo a fibre ottiche Lumina monitora, con una frequenza di 1 Hz, la radiazione ricevuta sfruttando in tempo reale il fenomeno di attenuazione del segnale indotta dalle radiazioni, Radiation Induced Attenuation (RIA), per determinare la quantità totale di radiazioni ionizzanti, Total Ionising Dose (TID).

Come già detto, l’attenuazione del segnale indotta dalle radiazioni (RIA), corrisponde al decremento della capacità di trasmissione delle fibre ottiche, che diventano meno trasparenti a causa dei danni causati dalle radiazioni e quindi assorbono parte della luce. Più alta è la dose, e maggiore sarà l’attenuazione del segnale luminoso veicolato dalla fibra.

Per lo sviluppo e la calibrazione di Lumina, è stato fondamentale il contributo del CERN di Ginevra. Infatti per prevenire i danni da radiazioni ai vari sistemi elettronici presenti negli acceleratori, il CERN ha intrapreso uno studio pluriennale sui sensori di radiazioni a fibre ottiche. Le conoscenze e l’esperienza ottenute con questo studio hanno permesso al CERN di fornire il proprio contributo tecnico a Lumina, aiutando con le analisi teoriche dell’architettura ottimizzata dei dosimetri e conducendo dei test a bassa e alta irradiazione necessari per la loro calibrazione.

Il rilevatore attivo nello spettro del visibile è dotato di un canale lungo 2 km, mentre quello che lavora nell’infrarosso è composto da una matassa di fibra lunga 7 km. Entrambi i detector sono dotati di specifici sensori laser e di diversi fotodiodi ottimizzati per misurare bassi livelli di RIA (attenuazione del segnale indotta dalle radiazioni) e quindi bassi livelli di radiazioni.

Operatività degli astronauti

Il dosimetro Lumina è installato nel modulo europeo Columbus, unito a un Multi Use Bracket Assembly (ovvero un treppiedi snodabile), e connesso a un Portable Power Supply per ottenere energia elettrica. Lumina è quindi stato attivato e lasciato acceso, senza bisogno dell’assistenza di un astronauta, mentre effettua le sue misure e mentre salva i dati ottenuti nella sua memoria interna una volta al secondo.

Nel periodo di operatività dell’esperimento, l’equipaggio invia i dati sulla Terra una volta al mese tramite un modulo dedicato dell’applicazione EveryWear. Durante la missione Minerva, questo è uno dei compiti di Samantha Cristoforetti. Una connessione Bluetooth permette anche la variazione di alcuni parametri del profilo di funzionamento del dosimetro, come la potenza della sorgente laser, oltre a permettere la verifica del suo status operativo.

Fonti: NASA, ESA, CNES, CERN.