ESA

I pianeti gassosi esterni Giove e Saturno e, soprattutto, i giganti ghiacciati esterni di Urano e Nettuno sono da tempo riconosciuti come obiettivo di una missione esplorativa ad alta priorità. Questi corpi freddi e densi sono diversi da qualsiasi altro pianeta trovato nel nostro Sistema Solare, gli ultimi ad essere esplorati e i meno compresi. La loro atmosfera è costituita principalmente da idrogeno (H2), elio (He) e, nel caso di Nettuno, tracce di metano (CH4). Una missione verso uno o più di questi giganteschi corpi ghiacciati fornirà un contributo significativo all’avanzamento della nostra comprensione sulla formazione e l’evoluzione del sistema solare e di altri sistemi esoplanetari. L'ESA sta preparando le tecnologie di test aerotermodinamici per l'ingresso ad alta velocità nei pianeti esterni, giganti, ghiacciati e gassosi per tali missioni future.

Il merito scientifico dei giganti ghiacciati è stato raccomandato a livello internazionale nell’ambito del NASA 2023-2032 Planetary Sciences Decadal Survey e del programma ESA Voyage 2050. Una sonda atmosferica con strumentazione in-situ su uno qualsiasi dei giganti di ghiaccio è stata contrassegnata come missione ad alta priorità e potrebbe essere prevista all'interno di una missione scientifica di classe (M)media dell'ESA.

Due studi CDF dell’ESA condotti nel 2019 hanno esaminato i potenziali contributi dell’ESA a una missione guidata dalla NASA su Urano o Nettuno e sul gigante gassoso Saturno. Similmente alla partnership per la missione Cassini-Huygens, dove l'ESA ha fornito la sonda Huygens, la missione avrebbe un impatto significativo per la comunità scientifica planetaria europea nel suo insieme. Esiste una potenziale opportunità di lancio all’inizio degli anni ’30, quando uno spostamento di Giove consentirebbe l’accesso a più pianeti. Recentemente anche gli scienziati planetari della NASA hanno affermato che una missione su Urano è un'opportunità futura prioritaria.

Prima di poter prendere in considerazione qualsiasi missione, sono necessarie ulteriori indagini per comprendere l'ambiente aerotermico dell'ingresso di un gigante di ghiaccio. Qualsiasi veicolo spaziale in discesa sarebbe soggetto a un intenso riscaldamento mentre si immerge nell'atmosfera fredda e densa a una velocità di ingresso di circa 23 km/s per una missione su Urano o Nettuno e di circa 27 km/s per Saturno. Il sistema di protezione termica del veicolo spaziale dovrebbe proteggere il prezioso carico utile dagli effetti del riscaldamento estremo. La velocità di riscaldamento sarebbe di ordini di grandezza maggiore di qualsiasi missione attualmente intrapresa dall’ESA. “Lo scopo dell’attività era quello di adattare l’attuale struttura a terra per simulare le condizioni atmosferiche rilevanti di H2/He/CH4 sulla sonda in strutture di prova a terra, che non erano ancora disponibili in Europa e non esiste alcuna struttura al plasma per simulare una condizione atmosferica di H2/He /CH4”, spiega Louis Walpot, responsabile tecnico di questa attività.

Attraverso un'attività combinata di riduzione del rischio finanziata dal GSTP tedesco, britannico ed ESA, l'High Enthalpy Flow Diagnostics Group (HEFDiG) presso l'Istituto di sistemi spaziali (IRS) dell'Università di Stoccarda e il gruppo ipersonico dell'Università di Oxford hanno adattato le rispettive strutture di test a terra .

L'Oxford T6 Stalker Tunnel, situato presso l'Università di Oxford, ha simulato la dinamica radiativa aerotermodinamica del gas ad alta velocità e ha studiato i flussi di calore convettivo in un ambiente rappresentativo di H2/He/CH4. Si tratta della galleria del vento più veloce d'Europa, che fornisce un impianto di prova ipersonico, multimodale e aerotermodinamico, basato sul progetto del defunto professor Ray Stalker.

“Il tunnel è in grado di misurare sia la convezione che il flusso di calore radiativo e di fornire in modo critico le velocità di flusso richieste per la replica dell’ingresso del gigante di ghiaccio, con tracce di CH4. Il tunnel stesso funziona con un driver a pistone libero, che può essere accoppiato a diversi componenti a valle per diventare un tubo dell'ammortizzatore, un tunnel dell'ammortizzatore riflesso o un tubo di espansione. Questa adattabilità consente un’ampia gamma di test, dai test di modellazione su scala ridotta all’esplorazione dei processi fondamentali del flusso ad alta velocità», aggiunge Louis Walpot.

Allo stesso modo, le interazioni della superficie del gas sugli ablatori vengono studiate nella struttura della galleria del vento al plasma PWK1 presso l'IRS. PWK1 è attualmente l'unico impianto di plasma al mondo con le capacità di idrogeno necessarie per studiare l'interazione tra pirolisi e ablazione sul sistema di protezione termica di un veicolo spaziale.