LIDAL (Light Ion Detector for ALTEA)

 LIDAL (Light Ion Detector for ALTEA) Progetto coordinato e finanziato dall’ASI per sperimentazione su Stazione Spaziale nell’ambito dei diritti nazionali di utilizzazione della ISS Responsabile del progetto: Livio Narici, Dipartimento di Fisica Università di Roma Tor Vergata & INFN ‐ Roma2 & ASI, Roma Responsabile della realizzazione Kayser Italia, Livorno dell’apparato: Obiettivi della ricerca: Per definire le necessarie contromisure volte a mitigare i possibili danni dovuti alla radiazione durante permanenze umane nello spazio si devono capire gli effetti della radiazione sull'uomo, e conoscere le caratteristiche della radiazione a cui verranno esposti gli astronauti. Poiché questi viaggeranno all’interno di un mezzo spaziale, è importante non solo conoscere il campo di radiazione lungo il tragitto della navicella, ma anche come la radiazione venga ridotta, o trasformata, passando attraverso le pareti e i diversi oggetti (esperimenti, strumenti) nella navicella spaziale. Il miglior veicolo spaziale in orbita, dove realizzare le misure necessarie a questi studi col dovuto dettaglio, è la Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Ma cosa vuol dire "dovuto dettaglio" in questo caso? I danni biologici dipendono dalla dose, energia rilasciata per unità di massa, e dalla carica dello ione. Ad esempio, una dose di ioni di ferro (che hanno una carica che è 26 volte quella del protone, ione idrogeno) comporterà danni molto più gravi che la stessa dose di protoni. Questa differenza è tanto grande che, nonostante i protoni siano nello spazio più di cinquantamila volte gli ioni di ferro, il danno complessivo su un astronauta che possono provocare gli ioni ferro è paragonabile a quello dovuto ai protoni. Bisogna inoltre considerare che la dose è minore se la particella ha velocità (energia cinetica) maggiore. Il "dovuto dettaglio" menzionato prima significa quindi che di ogni singola particella che attraversa il veicolo spaziale è necessario conoscere oltre alla dose rilasciata anche l'energia cinetica e la carica. Il sistema di rivelatori ALTEA (sei rivelatori uguali, Silicon Detector Units, SDUs, vedi figura), che ha operato sulla ISS tra il 2006 e il 2012 è il più performante tra i rivelatori sulla ISS che può misurare (anche se non completamente) i "dettagli" menzionati sopra. ALTEA è stato costruito, per lo studio dell’interazione degli ioni pesanti (e medi) con il sistema nervoso centrale umano. L'esperimento LIDAL (Light Ion Detector for ALTEA) permetterà ad ALTEA di misurare anche gli ioni leggeri ed in particolar modo i protoni, e, utilizzando un'elettronica veloce e all'avanguardia, potrà misurare direttamente la velocità di ogni particella, permettendo di determinare l'energia cinetica delle particelle incidenti. Figura L'astronauta Paolo Nespoli fotografa ALTEA prima di posizionarla nel sito di misura. Due delle sei SDUs (montate a coppie nelle tre direzioni X Y Z) sono indicate da frecce bianche). In basso lo schema di come verrà montato LIDAL su ALTEA (ALTEA‐LIDAL) Descrizione del dimostratore: Per conseguire questo risultato verranno utilizzati tre dei sei rivelatori di ALTEA messi in fila, ed un ulteriore sistema (basato su rivelatori veloci di diverso tipo) che verrà posto all'inizio e alla fine dei tre rivelatori di ALTEA (vedi figura). Il nuovo sistema sarà composto da due set di scintillatori ed una unità elettronica. Questo nuovo sistema permetterà di rivelare quei protoni non misurati da ALTEA e fornirà una misura del tempo che le particelle impiegheranno ad attraversare i rivelatori ("tempo di volo"). Tale misura permetterà di risalire alla velocità delle particelle incidenti e alla loro energia cinetica. I dati verranno inviati alla elettronica di ALTEA, che li invierà al computer della ISS e quindi in telemetria a terra, consentendo in tempo reale, dalla User Home Base presso il Dipartimento di Fisica dell'Università di Roma ‐ Tor Vergata e dall'ASI User Support Operation Center (USOC) presso Kayser Italia, entrambi certificati da NASA per comunicare con la ISS, di monitorare e studiare la radiazione presente nella ISS (inclusi i protoni che ALTEA non misura). Operazioni su ISS: ALTEA ‐ LIDAL verrà montato e istallato nella ISS nel sito previsto dalla NASA. Il sistema verrà posto in misura per almeno 12 mesi (richiesti: 36 mesi). Il sistema è in grado di funzionare senza interventi dell'astronauta (tranne che per l'accensione e lo spegnimento). I dati verranno riversati in telemetria in tempo reale a terra dove una prima analisi verrà eseguita in tempo reale, quindi i dati verranno immagazzinati per successive analisi offline più sofisticate. Possibili ritorni: • ALTEA ‐ LIDAL diventerà il primo (e unico per ora) rivelatore in funzione nella ISS in grado di misurare tutte le caratteristiche rilevanti alla definizione del rischio biologico della radiazione incidente. Questo consentirà anche uno studio in dettaglio della radiazione all'interno della ISS durante la fase discendente del ciclo solare (corrispondente ad un periodo di aumento della radiazione cosmica), e durante i possibili "brillamenti" solari che causano alti flussi di protoni (Solar Particle Events, SPE), assai pericolosi se non adeguatamente schermati. • lo studio dettagliato della dinamica delle SPE sarà essenziale per individuare caratteristiche utili alla definizione di procedure di warning necessarie durante lunghe traversate spaziali per permettere agli astronauti di raggiungere rifugi schermati. • Le innovazioni tecnologiche relative al nuovo sistema consentiranno per la prima volta all'interno della Stazione di misurare il "tempo di volo" delle particelle, su una base inferiore ai 60 cm, con una risoluzione temporale inferiore ai 200 ps. • Il sistema di analisi in tempo reale e l'analisi e la gestione automatizzata dei dati consentirà di avere il primo monitor in tempo reale del rischio dovuto alle radiazioni. • le tecnologie utilizzate saranno essenziali per lo sviluppo di nuovi detector, anche miniaturizzati e quindi, ad esempio, utilizzabili come monitor personali per gli astronauti. • la gestione sempre più automatica ed 'intelligente' delle misure di radiazione è il primo passo per costruire un sistema esperto che possa coadiuvare l'equipaggio nelle decisioni di emergenza legate a problemi di radiazione durante un viaggio interplanetario. Questi sistemi esperti sono certamente di elevato interesse in diversi contesti sulla Terra. • la definizione nel dettaglio della radiazione nella ISS, obiettivo di ALTEA‐LIDAL è un input necessario nello sviluppo di contromisure integrate per la mitigazione del danno biologico da radiazione.