Bando Asi per lo Sviluppo Tecnologico
Membrane a Nanotubi di Carbonio per
Propulsione Primaria Spaziale ad Elevate
Prestazioni (CLIPPER)
Presentato a fine ottobre 2007 - Accettazione non ancora ufficiale (secondo
indiscrezioni ricevute in febbraio)
ASI
Gestione progetto (Prime Contractor)
Galileian Plus
Principal investigator tecnologico
Co-investigator
IMM – CNR
Politecnico di Torino
IMM - 21 aprile 2009
VELE FOTONICHE SOLARI
Specchi a membrana costituiti da film sottili. La propulsione a vela
fotonica solare utilizza l’irradianza totale solare attraverso il trasporto
di momento lineare fotonico
spinta da pressione di radiazione
solare. Rendono possibili missioni “proibitive” con la propulsione a
razzo.
NASA 4-quadrant solar sail system
fully deployed 100-foot-diameter
IMM - 21 aprile 2009
• Devono essere grandi e con carico utile piccolo.
• Fondamentale per la propulsione fotonica solare è la selezione dei
materiali sia per la vela solare che per le strutture di dispiegamento e
di mantenimento d’ assetto della configurazione.
L’elemento limitante per tale propulsione è il materiale della vela e una
delle sfide da affrontare è poi lo spiegamento della vela.
Tecnologia di fabbricazione delle vele solari a breve termine (per missioni
che avranno luogo nei prossimi 10 anni) si basa su un multistrato di 3 film:
Subst. plastico / film riflettente / film emissivo
(Kapton, CP-1, Teonex)
(Al)
(Cr)
non è adatta per missioni di lunga durata, alta velocità, breve tempo di
trasferimento e con carico utile massivo.
Nanotecnologie
miglioramento più di due ordini di grandezza nella
densità superficiale della vela complessiva.
IMM - 21 aprile 2009
Membrane di MWCNTs
Membrane di MWCNTs (Materiali di III generazione)
- estrema resistenza
per membrane di MWCNTs che si vogliono
realizzare nel progetto, 50 nm con densità di 0.5 g/cm3, previste
“specific strengths“ molto elevate di 465 MPa/(g/cm3). (per i MWCNTs:
modulo di Young di 1.5 TPa, “tensil strength” di 45 TPa)
- leggerezza - bassa densità (ciò che conta nella applicazione
propulsiva è la densità superficiale della membrana)
- Parametri termo-ottici:
1) riflettanza dei MWCNTs metallici funzione del loro diametro e della
loro lunghezza
membrana di MWCNTs dimensionata per avere
nella banda di lunghezze d’onda di interesse (50 nm – 20 μm) una
elevata riflettanza ed emissività.
2) trasparenza nella regione delle MW per le telecomunicazioni nello
spazio profondo (problema per i materiali di I e II generazione)
3) proprietà ottiche non cambiano alle temperature di lavoro elevate
previste nell’applicazione solare
4) conducibilità termica da previsioni teoriche: 6 kW/m K a 3 kW/m K
(per- il21rame
è 0.4 kW/m K, mentre per il diamante è 0.2 kW/m K).
IMM
aprile 2009
Figura 5. Immagine SEM di una foresta di
MWCNTs depositata a 900 °C su film di 2 nm
di Ni evaporati su SiO2/Si.
adesivo
o sfruttando attrazione elettrostatica o forze di WdV
Figura 7. Schema del processo di
cardatura dei MWCNTs e formazione del
foglio.
Foresta di
MWNTs
foglio
più fogli incrociati
Science 2005 - Anvar Zakhidov
et al. (NanoTech Inst., University
of Texas, Dallas (USA)
IMM - 21 aprile 2009
membrana
densificazione
Realizzazione di membrane di
piccole dimensioni per misure
delle proprietà termo-ottiche,
meccaniche, elettriche
1.
2.
1.
2.
Galileian Plus
Responsabilità del Coordinamento del Progetto.
Responsabilità dei WPs a livello di sistema per quanto riguarda:
- studi di Astrodinamica su classi di missioni di interesse scientifico e
utilitaristico che potrebbero beneficiare o essere addirittura rese
possibili dalle tecnologie di propulsione sviluppate nel progetto;
- definizione dei requisiti di prestazione che dovranno essere
assicurati dalle vele solari a nanotubi al carbonio e i conseguenti
requisiti di carattere ottico, meccanico ecc.
- verifica della fattibilità delle classi di missioni di riferimento
individuate negli studi di Astrodinamica sulla base delle
caratteristiche dei campioni rappresentativi di vele solari
effettivamente realizzati.
Politecnico di Torino
Responsabilità di estesi test meccanici sui campioni rappresentativi
di vela a membrane di MWCNTs.
Modellizzazione delle membrane di MWCNT e scaling-up delle
superfici delle membrane di MWCNT
IMM - 21 aprile 2009
IMM – Bo
1. Coordinamento
Carbonio”.
del
sottosistema
“Membrane
di
Nanotubi
al
2. Messa a punto delle foreste di MWCNTs su substrati rigidi adatte alla
tessitura dei fogli o membrane.
3. Sviluppo della tecnologia per la realizzazione di campioni di vela
solare.
4. Costruzione del sistema di tiratura della trama di MWCNTs per
ottenere i fogli.
5. Relativa caratterizzazione strutturale, ottica ed elettrica.
6. Realizzazione di piccole membrane
IMM - 21 aprile 2009
Personale coinvolto
CNR - IMM – Bo
Rita Rizzoli
Renato Angelucci
Giulio Paolo Veronese
Francesco Suriano
Caterina Summonte
Andrea Migliori
Franco Corticelli
Giulio Pizzochero
Coordinatore scientifico del progetto
Galileian Plus
Dr. Marco Fermi
Capo Progetto (Coordinatore del progetto)
Dr. Giovanni Vulpetti
Responsabile scientifico di Unità
Politecnico di Torino
Prof. Nicola Pugno
Dip. Ing. Strutturale (Coordinatore Scientifico di
Unità, Modellazione nanomeccanica)
IMM - 21 aprile 2009
Durata progetto: 30 mesi - prezzi al netto dell’IVA
Co-funding
(€)
Personale IMM
ASI
(€)
Totale
(€)
156.140
Assegni
214.500
Altri costi e
utilizzo facilities
301.550
IMM
156.140
516.053
672.193
Galileian Plus
117.259
469.036
586.295
PoliTo
65.839
263.357
329.196
1.587.684
IMM - 21 aprile 2009
In Giugno 2008 il NASA/MSFC (Marshall Space Flight Center,
in cui ha lavorato G. Vulpetti) ha lanciato una vela
sperimentale di tipo classico di 10 x 10 m2. La missione ha
avuto inaspettatamente una componente militare per cui non
si sanno i risultati. Secondo Vulpetti se fossero riusciti a
sperimentare lo spiegamento e il controllo d'assetto della vela
per una settimana di fila, sarebbe già un grande passo avanti
nella rivoluzione della propulsione spaziale. Al momento della
nostra offerta ad ASI, non si sapeva che la NASA avrebbe
approvato questa missione, ma solo che era nelle sue
intenzioni finanziare questo tipo di studi.
IMM - 21 aprile 2009