Dalla Sardegna un progetto per tracciare i detriti spaziali

I detriti spaziali sono argomento di grande attualità da quando è stata annunciato il rientro nell’atmosfera della stazione spaziale cinese TIANGONG1, in vista del  maggior numero di satelliti che vengono e verranno mandati in orbita nei prossimi anni.

Sui detriti spaziali è in corso un progetto di ricerca industriale finanziato da Sardegna Ricerche e condotto in collaborazione da un’impresa sarda, Nurjana Technologies, e dal Dipartimento di Ingegneria elettrica ed elettronica dell’Università di Cagliari (DIEE).

Il progetto “Sviluppo di una piattaforma di Multi Sensor Data Fusion per monitoraggio e tracking di detriti spaziali” riguarda la messa a punto di nuovi sensori e software di elaborazione capaci di acquisire i dati e le informazioni caratteristiche dei detriti in orbita terrestre, prevedendone i pericoli di collisione con le infrastrutture in orbita o sulla Terra.

“Per comprendere come i detriti spaziali siano una minaccia chiara e presente” spiega Pietro Andronico (Nurjana) “è sufficiente pensare che una collisione con un frammento di un centimetro ha l’effetto dell’esplosione di una granata, dato che viaggia alla velocità di 10 kilometri al secondo. Di qui la necessità di monitorare le orbite e prevenire le collisioni. Inoltre oggetti di grandi dimensioni, quali satelliti dismessi, parti di razzi, ecc., possono rientrare nell’atmosfera terrestre in modo incontrollato, creando rischi per l’incolumità di persone e cose”.

I primi risultati del progetto hanno portato all’osservazione e alla stima dell’orbita, tramite un telescopio ottico, della stazione spaziale cinese la cui caduta è data ormai per imminente. L’immagine catturata dai ricercatori sardi è stata resa disponibile nei giorni scorsi.
Il ruolo dei ricercatori dell’Università di Cagliari nel progetto è così descritto dal prof. Giorgio Montisci: “Il Gruppo di Elettromagnetismo del DIEE si occuperà dello sviluppo di sistemi RADAR per il monitoraggio dei detriti, i cui dati saranno correlati con i dati forniti dai telescopi ottici, al fine di ottenere una stima più precisa delle orbite”.

Tra i risultati attesi del progetto, oltre all’avanzamento delle conoscenze tecnico-scientifiche, vi sono le ricadute economiche legate alle sue applicazioni tecnico-scientifiche, commerciali e di protezione civile. Esiste infatti un mercato, di nicchia ma in forte crescita, costituito dalle agenzie spaziali di tutto il mondo, da enti di ricerca e università, osservatori scientifici, dalle società di telecomunicazione, dalle autorità pubbliche responsabili della protezione civile.

Il progetto

Le attività svolte da Nurjana nel contesto dell’ESA hanno consentito di apprezzare come il problema dei detriti spaziali sta diventando sempre più urgente visto il sempre maggior numero di satelliti che vengono e verranno mandati in orbita nei prossimi anni. Per comprendere come i detriti spaziali siano una minaccia chiara e presente, è sufficiente pensare che una collisione con un piccolo detrito spaziale di un cm alla tipica velocità nell’orbita LEO (10 km/s) ha un effetto comparabile a quello dell’esplosione di una granata. Oggetti più grandi dunque avrebbero un impatto catastrofico sui veicoli spaziali. Se si considera il fatto che ogni collisione può generare ulteriori detriti, si comprende la necessità di monitorare le orbite e prevenire le collisioni.

Inoltre, oltre ai pericoli nell’ambito del settore spaziale, oggetti di grandi dimensioni, quali satelliti dismessi, parti di razzi etc, possono rientrare nell’atmosfera terrestre in modo incontrollato, creando rischi sull’incolumità di persone e cose nell’ambiente terrestre. Oggetti di dimensioni rilevanti (maggiori di un metro) entrano nell’atmosfera terrestre in modo incontrollato circa una volta alla settimana. Questi oggetti devono essere monitorati e la loro traiettoria deve essere prevista con anticipo.

In questo contesto sono dunque divenuti di interesse primario gli studi e le ricerche in grado di porre le basi per lo sviluppo di nuovi sensori e tecnologie di elaborazione capaci di acquisire i dati e le informazioni caratteristiche dei detriti in orbita terrestre, prevedendone i pericoli di collisione con le infrastrutture in orbita o sulla Terra.

A dimostrazione di ciò, basta guardare agli ingenti investimenti che la Commissione Europea sta mettendo in campo per dotare l’Europa di un proprio sistema di monitoraggio di detriti spaziali che la renda indipendente dai dati forniti dagli USA e dalla Russia. L’Economia dello spazio è diventata infatti fondamentale per lo sviluppo e la crescita delle nostre società e del nostro benessere e la sua protezione e garanzia di operatività sono quindi di primaria importanza. Già dal 2015 l’Europa ha iniziato a finanziare programmi di utilizzo, coordinamento e miglioramento dei propri sensori e centri operativi di raccolta dei dati per il monitoraggio dei detriti. Assieme a Francia, Germania, Spagna e UK, anche l’Italia sta partecipando a questo programma, mettendo a disposizione il centro operativo presso Pratica di Mare – Pomezia (ROMA) e i sensori ottici e Radar presenti sul territorio nazionale. Fra i sensori Radar utilizzati in fase di ricerca e sviluppo, vi è il sistema radar bistatico denominato BIRALET, formato da un trasmettitore situato all’interno del PISQ e il radiotelescopio SRT costruito e gestito dall’INAF e dall’ASI nel territorio del comune di San Basilio.

La maggior concentrazione di detriti spaziali si trova nella regione LEO (Low Earth Orbit, tra 200 km e 2000 km), dove infatti avviene il maggior numero di esplosioni e collisioni con le navicelle spaziali. In questa regione l’osservazione dei detriti spaziali viene effettuata di norma tramite sistemi RADAR, mentre i sistemi ottici sono impiegati prevalentemente per osservazioni in orbita GEO e MEO, dove un sistema RADAR richiederebbe potenze troppo elevate [1].

Tuttavia, nella letteratura scientifica sono state studiate anche le problematiche relative all’osservazione dei detriti spaziali nella regione LEO anche tramite telescopi ottici, e anche l’ESA (European Space Agency) e la NASA hanno mostrato interesse per questo tipo di soluzione. In particolare, le osservazioni ottiche in orbita LEO, quando rese possibili dalle condizioni ambientali, consentono il monitoraggio dei detriti tramite la misura dell’albedo. Questo chiaramente è possibile solo se la stazione di osservazione è in zona d’ombra, se i detriti spaziali sono al di fuori della zona d’ombra della terra, e se le condizioni meteo sono favorevoli (assenza di nuvole). E’ comunque evidente che la possibilità di utilizzare in orbita LEO sia osservazioni RADAR che ottiche suggerisce l’impiego contemporaneo dei due sistemi, al fine di estrarre maggiori informazioni rispetto a quelle ottenibili con l’osservazione tramite un singolo sensore.

A fronte di tali premesse, in continuità con i settori di interesse dell’impresa proponente e con i programmi strategici di sviluppo della piattaforma MMP, sviluppata da Nurjana e descritta sinteticamente nella sezione di presentazione dell’azienda, l’attività di ricerca e sviluppo che si intende avviare si pone come obiettivo lo studio e lo sviluppo di una piattaforma di “Multi Sensor Data Fusion” (ossia fusione di dati acquisiti da sensori diversi) da impiegare nell’ambito del monitoraggio dei detriti spaziali, basate su elaborazione di dati e immagini prodotti da una rete di sensori eterogenei e distribuita quali:

• Sistemi Ottici nello spettro del visibile ed eventualmente dell’infrarosso

• Sistemi Radar a diverse frequenze

Il procedimento di “Sensor Data Fusion” consiste nella fusione di dati provenienti da più sensori e nell’implementazione di un sistema esperto di decisione. Il sistema che si vuole studiare, basandosi su dati di vari sensori e su una conoscenza a priori dello scenario di interesse, ha la funzione di filtrare e correlare grandi moli di dati, per migliorare le prestazioni complessive del sistema di monitoraggio e presentare alla valutazione dell’operatore le informazioni utili per la gestione di una o più missioni spaziali, in relazione ai pericoli derivanti dai detriti spaziali.

I PARTNER

Nurjana Technologies Srl è una società nata nell’ottobre 2012 che può vantare una consolidata esperienza nel settore System and Sensor Integration, sviluppata nella realizzazione di progetti in ambito nazionale e internazionale, anche in contesti complessi quali quelli dell’Aerospazio.

Il principale prodotto offerto è  la piattaforma software Mission Management Platform (MMP) che implementa tecniche avanzate e innovative di Sensor Data Fusion real time per applicazioni aeronautiche. Il procedimento di “Sensor Data Fusion” consiste nella fusione di dati provenienti da più sensori per Object Recognition e nell’implementazione di un Sistema Esperto di decisione. Il sistema MMP sviluppato, basandosi su dati di vari sensori e su una conoscenza a priori dello scenario di interesse, ha la funzione di filtrare e correlare grandi moli di dati, per presentare alla valutazione dell’operatore solamente quelli più significativi, supportandolo nelle decisioni e nelle azioni da intraprendere per la gestione della missione e per il controllo dei sensori impiegati.

DIEE – Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell’Università di Cagliari, nello specifico il gruppo di ricerca coinvolto nel progetto è il Gruppo di Elettromagnetismo Applicato (EMA), con la collaborazione del gruppo di Sistemi di Elaborazione delle Informazioni.

Il Gruppo di Elettromagnetismo Applicato si occupa da più di vent’anni di progettazione di dispositivi a microonde e di antenne. In particolare, le competenze e le esperienze rilevanti rispetto alla proposta progettuale fanno riferimento ai seguenti temi di ricerca:

• antenne in guida d’onda per applicazioni RADAR,

• progetto di componenti a microonde per applicazioni radioastronomiche e diagnostica di grandi antenne a riflettore,

• utilizzo del Sardinia Radio Telescope per il monitoraggio e tracking di detriti spaziali,

• antenne per tag RFId e antenne indossabili,

• antenne a larga banda per applicazioni wireless su substrati flessibili.