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La missione Rosetta
ROSINA
di Cuccoli Stefano , Baggiani Gemma, Losi Laura e Bidini Benedetta 3Csc
La missione Rosetta è stata lanciata il 2 marzo 2004
verso la cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, sulla
quale ha fatto atterrare il lander Philae il 12
novembre 2014. Scopo della missione è quello di
indagare le origini del sistema solare facendo ricorso
alle comete, che costituiscono l'ultimo esempio della
materia originaria del nostro sistema.
La sonda Rosetta
ROSINA
Uno degli esperimenti a bordo della missione Rosetta è R.O.S.I.N.A., acronimo che
sta per “Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis” (Spettrometro di
analisi di Ioni e atomi neutri sull'Orbiter di Rosetta). Come si evince dal nome,
ROSINA non è a bordo del lander, ma fa parte della strumentazione rimasta in orbita
attorno alla cometa.
Le funzioni di ROSINA sono:
1) analizzare la composizione elementale, isotopica e molecolare dell'atmosfera e
della ionosfera della cometa e ricercare possibili fuoriuscite di gas dalla superficie
cometaria.
2) determinare la temperatura e la velocità d'insieme dei gas e degli ioni
3) analizzare le reazioni omogenee e disomogenee di gas e ioni nella polverosa
atmosfera e ionosfera della cometa.
Tali misurazioni contribuiranno al raggiungimento di alcuni degli obbiettivi della
missione Rosetta quali:
1) determinare la composizione del nucleo della cometa
2) determinare i processi attraverso i quali si formano atmosfera e ionosfera della
cometa e caratterizzare la loro dinamica in funzione del tempo e della posizione della
stessa
3) studiare l'origine delle comete, la relazione fra materiale cometario e materiale di
provenienza esterna al sistema solare e le loro possibili connessioni con le origini del
sistema solare
4) investigare possibili emissioni di gas dall'interno della cometa e stabilire le
possibili relazioni fra comete e asteroidi.
La strumentazione
Per svolgere questi compiti essa si serve di tre strumenti:
Il COPS
Il COPS (Comet Pressure Sensor
cioè sensore di pressione sulla
cometa) è dedicato alla misurazione
dei parametri dei gas neutri attorno
alla cometa, più precisamente la
densità totale e la velocità del flusso
radiale.
Il primo dei due sensori che lo
compongono
è
un
semplice
misuratore di pressione che dà una
misurazione diretta della densità
totale attorno alla cometa. Tale parametro è molto importante poiché se eccedesse un
particolare valore (~10-3 mbar) gli altri strumenti verrebbero spenti. Oltre a ciò i dati
raccolti saranno utili per lo sviluppo di modelli dell'interno della cometa.
Il secondo sensore è una camera di equilibrio: una camera sferica contenente un
misuratore di pressione e avente un'apertura rivolta verso la cometa. Essa misura il
flusso molecolare proveniente dalla cometa. Tali misurazioni, confrontate con quelle
del primo strumento, danno informazioni sulla dinamica del flusso. Infatti se i due
valori sono simili il flussso è in “quiete”, invece in particolari condizioni di
temperartura, pressione e velocità definite in base alle precedenti osservazioni della
cometa di Halley, la pressione del flusso sarà alcune volte la pressione totale
Struttura dei sensori.
1) Il primo è un misuratore di Alpert-Bayard nel quale elettroni liberi emessi da un
filamento con un potenziale di +30 volt vengono accelerati verso un anodo cilindrico
a griglia che viene mantenuto ad un potenziale di +150 volt. All'interno dell'anodo
cilindrico è presente un sottile filo di
Molibdeno chiamato collettore e avente un
voltaggio di 0 volt. Gli elettroni emessi
orbitano intorno al collettore, ionizzando degli
atomi neutri sul loro percorso. Tali ioni
vengono attratti dal collettore e la corrente
risultante è proporzionale alla densità del gas.
2) La camera di equilibrio è una sfera di 60
mm di diametro con un apertura di 6 mm, posizionata su un'asta cava contenente un
misuratore di pressione. Il misuratore di pressione è in questo caso un misuratore di
tipo estrattore che funziona con lo stesso principio del precedente con la differenza
che in questo l'emettitore di elettroni non è un filamento ma un chip solido
posizionato su un circuito dorato in ceramica.
Il DFMS
Il DFMS (Double focusing mass spectrometer cioè spettrometro di massa a doppia
focalizzazione) è uno spettrometro di massa con un alta risoluzione di massa
(m/∆m~3000) e un'alta gamma dinamica (da 1 a 100 unità di massa atomica). È
basato su schemi collaudati che sono stati ottimizzati usando moderni metodi di
calcolo delle proprietà ottiche degli ioni.
Uno schema di funzionamento del DFMS
Il DFMS ha due modalità di funzionamento principali: una per analizzare i gas
cometari, l'altra per analizzare gli ioni cometari.
Il tipo di spettrometro di massa scelto, detto di Mattauch-Herzog, è basato sulla
presenza di due sezioni in
cui i fasci di ioni vengono
curvati: nella prima sezione
da un campo elettrico
radiale
a
simmetria
cilindrica, nella seconda da
un
campo
magnetico
costante.
La lunghezza delle due
sezioni e le intensità dei
campi elettrico e magnetico sono scelti in modo tale che gli ioni caratterizzati da uno
stesso rapporto massa/carica vengono focalizzati in uno stesso punto, mentre ioni di
diverso rapporto vengono focalizzati in punti distinti, che però giacciono tutti su uno
stesso piano, che coincide con la superficie del rivelatore.
Una prova a terra dello strumento per ioni aventi
m~16
Una prova a terra dello strumento per ioni aventi
m~14
Una prova a terra dello strumento per ioni aventi
m~20
Il RTOF
Lo spettrometro RTOF (reflectron time of flight cioè reflectron a tempo di volo) è
progettato a completamento del DFMS per estendere la risoluzione di massa e
aumentare la sensibilità dell'intero gruppo di strumenti.
Il vantaggio degli spettrometri a tempo di volo è quello di poter registrare tutti i dati
contemporaneamente senza il bisogno di analizzare le masse attraverso fenditure.
Uno strumento di questo tipo è già stato utilizzato con successo a bordo della
missione GIOTTO per misurare gli atomi e le molecole espulse da una superficie.
Il RTOF di ROSINA include due sistemi sorgente-rivelatore simili e indipendenti:
uno per gli ioni, uno per gli atomi neutri. Questa configurazione garantisce un'alta
affidabilità e una ridondanza quasi completa.
Principio di funzionamento
Uno spettrometro a tempo di volo opera attraverso l'estrazione simultanea di tutti gli
ioni dalla regione di ionizzazione in uno spazio di deriva in modo tale che gli ioni di
un certo rapporto massa/carica sono focalizzati temporalmente sul primo piano di
focalizzazione all'inizio della sezione di deriva. Qui l'estensione temporale del
pacchetto di ioni è ridotto da circa 800 ns all'uscita della regione di ionizzazione a
circa 3 ns (per ioni di massa=28 uma). Tali pacchetti molto corti di ioni si muovono
quindi in una regione di deriva per raggiungere poi il rivelatore. Lo spettrometro a
tempo di volo installato su ROSINA utilizza uno schema ottimizzato in cui gli ioni
vengono riflessi da uno “specchio” che compensa piccole differenze di energia fra gli
ioni.
Il sistema di funzionamento di RTOF
Il principio di funzionamento di uno spettrometro a tempo di volo è il seguente: gli
ioni che entrano nella regione di deriva hanno tutti la stessa energia
1
2
E= m v =q ∆V
2
,
∆V
dove
è la differenza di potenziale che li ha accelerati. Essendo ∆V fissata le
velocità degli ioni sono quindi direttamente proporzionali alla radice quadrata del
rapporto q/m, ovvero:
v =√2 ∆V
√
q
m
.
k=
1
√2 ∆V
Se L è la lunghezza della regione di deriva, posto
, il tempo T che intercorre
fra l'istante di estrazione degli ioni e ingresso nella regione di deriva ed il loro arrivo
sul rivelatore è pari a
√
L
m
T = =kL
v
q
.
Quindi, al crescere della lunghezza della regione di deriva i pacchetti corrispondenti a
un diverso rapporto m/q diventano sempre più separati temporalmente e possono
quindi essere sempre meglio riconosciuti, e aumenta la risoluzione di massa dello
spettrometro.
Risoluzione di massa
La risoluzione di massa è determinata dal tempo di deriva e dall'estensione temporale
dei pacchetti di ioni. Al contrario di altri tipi di spettrometri, gli spettrometri a tempo
di volo non hanno limite alla gamma di masse analizzabili. Nella pratica la gamma di
masse analizzabili sono limitate soltanto dai componenti elettronici, per esempio
dalle dimensioni delle memorie degli accumulatori di segnale.
Il RTOF di ROSINA ha una risoluzione di massa di circa m/∆m~4600
Esempio di identificazione di ioni da parte di RTOF
DPU, EGSE e CASYMIR
I tre strumenti sono infine affiancati da un elaboratore (DPU), un equipaggiamento di
supporto a terra (EGSE) e un sistema di calibrazione(CASYMIR).
I risultati
Le analisi compiute dagli strumenti di ROSINA hanno portato a due risultati
principali:
1) il rapporto (D/H) fra la concentrazione di Idrogeno e quella di Deuterio (isotopo
dell'idrogeno).
Definire tale rapporto è importante poiché esso è fondamentale per capire se lo
scenario della cometa è compatibile con quello terrestre e di conseguenza dare una
risposta al problema di come siano giunte sulla Terra e sugli altri pianeti terrestri
l'acqua e i composti organici.
Purtroppo il valore registrato sulla cometa è di (5.3 ± 0.7) × 10−4 ovvero circa tre
volte tanto quello terrestre. Non è quindi 67P/Churyumov-Gerasimenko, o un altra
cometa gioviana (ovvero comete la cui orbita è influenzata da Giove), la risposta a
tale quesito.
2) l'osservazione di come l'ambiente della chioma vari continuamente a seconda
dell'ora del giorno (cometario) e del punto dell'orbita raggiunto, specialmente per
quanto riguarda acqua, monossido di carbonio e diossido di carbonio (CO2). Ciò
indica una complessa relazione fra nucleo e chioma che varia in base alla variazione
di temperatura appena sotto la superficie della cometa.
La cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko con la chioma ben visibile