Il volo a Zero G dell’ESA

Bordeaux- Mèrignac  (Francia)  69^a  Campagna  voli  parabolici  ESA

Si è svolta a Bordeaux dal 16 al 27 aprile scorso la 67ma campagna di volo parabolico organizzata dall’ESA (Agenzia Spaziale Europea) sul nuovo Airbus 310.

Durante questi voli l’aereo segue una particolare traiettoria – per l’appunto parabolica – che consente di annullare gli effetti della forza di gravità per circa 20 secondi; tale traiettoria viene ripetuta per 31 volte ogni giorno, per tre giorni consecutivi. Il velivolo diventa un vero e proprio laboratorio nel quale testare una serie di esperimenti in assenza di peso. La campagna ha visto la partecipazione di studenti dell’Università di Pisa e del Trinity College di Dublino. Il team italiano del dipartimento di Ingegneria dell’Energia, dei Sistemi, del Territorio e delle Costruzioni (DESTEC) dell’Università di Pisa, è stato condotto dal professor Paolo Di Marco. Lo studio riguarda lo spargimento di gocce di acqua purificata su superfici metalliche rivestite e assistite da campi elettrici in condizioni di microgravità. L’apparato sperimentale e i sistemi di controllo e di gestione per quest’ultimo esperimento sono stati integralmente realizzati presso il DESTEC, con il contributo fondamentale dei tecnici Massimo Ciampalini e Davide Della Vista. L’esperimento, inoltre, si è svolto in collaborazione con il team dell’Università Trinity College di Dublino composto da O’Shaughnessy Seamus, Robinson Anthony, Baudin Nicola e Byrne Gerard.

Lunedì 23 aprile alle ore 14.00 presso la sala conferenze di NoveSpace si è tenuto il briefing del lunedì nel quale vengono presentati vari team internazionali che partecipano alla campagna di voli parabolici. Il direttore di NoveSpace è l’ex astronauta francese Jean Francois Clervoy. Tutti sono chiamati a presentarsi e a descrivere il proprio esperimento. Dopo ogni volo c’è un debriefing dove si scambiano opinioni, risultati ottenuti e indicazioni per i voli successivi. Lo scambio di informazioni avviene anche con i piloti in modo da perfezionare alcuni aspetti della missione come ad esempio la modifica della temperatura all’interno della cabina.

La forza di gravità

La forza di gravità non può essere disattivata premendo un interruttore come accade nella fantascienza, l’unico  modo per allontanarsi dalla sensazione e dagli effetti della gravità è di cedere ad essa.  La forza di gravità è sempre presente, anche nell’orbita terrestre e richiama inesorabilmente verso il basso  anche la stessa Stazione Spaziale Internazionale (che orbita a circa 400 km dalla superficie terrestre), ma che  riesce a restare in orbita volando a oltre 25 volte la velocità del suono. La forza centrifuga generata annulla la  forza gravitazionale e il veicolo spaziale rimane in caduta continua.

Il risultato è un’assenza di peso, chiamata microgravità. Accelerare un carico utile fino alla velocità orbitale è un compito difficile e costoso, ma ci sono altri modi per creare la microgravità senza andare così veloce e così lontano.

L’ESA mette a disposizione un aereo appositamente preparato per i voli a “Zero-­G”. Un Airbus 310 modificato,  all’interno della carlinga parzialmente svuotata resta una zona aperta che viene imbottita e dotata di reti,  corrimani e funi. In fondo all’aereo restano 43 sedili che servono per decollo e l’atterraggio dei partecipanti  e del personale. Gli esperimenti vengono saldamente bloccati al pavimento. Per motivi di sicurezza all’interno  dell’aereo vi sono diverse regole molto rigide. Ogni procedura viene supervisionata dagli addetti di NoveSpace,  l’azienda francese che gestisce i voli ESA a Bordeaux.

Durante questi voli l’aereo esegue una particolare traiettoria – per l’appunto parabolica – che consente di  ricreare una microgravità artificiale per circa 20 secondi; tale traiettoria viene ripetuta per 31 volte ogni giorno, per tre giorni consecutivi, e consente la sperimentazione in assenza di peso in presenza degli operatori  dell’esperimento, come in un comune laboratorio. La microgravità generata dalla caduta controllata dell’aereo  permette ai ricercatori di studiare il comportamento di liquidi e gas in assenza di peso. Eseguire questi stessi  esperimenti sulla terra è impossibile, perché la la forza di gravità modifica i processi fisici.

La gravità è una proprietà dell’intero universo che permette al nostro satellite naturale di ruotare intorno alla  Terra e mantiene il nostro Sole. La gravità interessa tutti i processi fisici, chimici e biologici e l’effetto più  evidente e immediatamente apprezzabile della gravità è l’attrazione che ci dà la sensazione di peso e che  tiene tutto quanto saldamente attaccato alla superficie terrestre. La gravità non può essere annullata, ma i  relativi effetti possono essere compensati con l’aiuto di una appropriata forza di accelerazione. Questa forza  di accelerazione deve avere esattamente lo stesso valore assoluto e verso opposto a quello del vettore di  gravità locale.

L’equilibrio di forze risultante è definito nel linguaggio comune assenza di gravità o come lo chiamano all’ESA: weightlessness (assenza di peso). In pratica, una condizione esatta di equilibrio è difficile  da verificarsi e una forza di gravità molto piccola è sempre presente.

Pertanto gli addetti ai lavori parlano di  microgravità piuttosto che di assenza di peso. In microgravità i vari fenomeni fisici fondamentali sono alterati  significativamente o persino completamente stravolti, in particolare la convezione, la galleggiabilità, la pressione idrostatica e la sedimentazione.

L’unico modo per evitare gli effetti e la sensazione della gravità, come abbiamo visto, è trovarsi in una  situazione di caduta libera. Per questo motivo l’Airbus A300 “Zero G” utilizzato dall’ESA per i voli parabolici  effettua all’apice della parabola una caduta libera, senza nessuna forza a parte quella gravitazionale che  agisce su di esso, generando circa 20 secondi di assenza di peso.

I voli parabolici sono utilizzati per condurre esperimenti scientifici e tecnologici di breve durata in microgravità,  per verificare e testare la strumentazione prima di utilizzarla nello spazio, per validare procedure operative e  sperimentali, per addestrare gli astronauti prima dei voli spaziali.

Durante una campagna, che solitamente comprende tre voli distinti, vengono effettuate 31 parabole per ogni  missione, 93 parabole in totale. Durante ogni parabola si hanno circa 40 secondi di ipergravità (1,8/G) 20  secondi immediatamente prima e immediatamente dopo i 20 secondi di microgravità (0,01G). Durante il mio  volo, la scala dell’ipergravità ha superato i 2G con punte di 2.2G.

Il velivolo decolla dall’aeroporto di Bordeaux-­Mèrignac, raggiungendo uno speciale corridoio aereo sopra il  Golfo di Gascogne o come nel nostro caso sopra il Mediterraneo all’altezza della Corsica. Arrivati alla quota  di circa 6000 metri la manovra per ottenere l’assenza di peso, conosciuta come arco parabolico, inizia con  una ripida ascensione (cabrata) di 45° con i motori alla massima potenza. A questo punto i passeggeri  sperimentano una gravità di circa 1,8 g per un periodo di 20 secondi, causata dall’accelerazione dei motori, che si somma alla normale forza di gravità.

Raggiunta l’altitudine di 7600 metri l’Airbus riduce la potenza dei motori fino ad un livello minimo sufficiente  appena a compensare la resistenza opposta dall’aria. Tutte le forze sono annullate a parte la gravità e  l’aereo si trova in caduta libera. Da questo istante hanno inizio i 20 secondi di microgravità. La quantità di moto  residua trasporta il velivolo fino alla parte superiore dell’arco parabolico. L’Airbus raggiunge l’apice della  parabola ad una altitudine di 8500 metri descrivendo l’arco parabolico e iniziando la caduta libera verso il  basso. Quando l’aereo risulta inclinato di 45 gradi sotto l’orizzonte i motori vengono accesi nuovamente alla  massima potenza e i passeggeri sperimentano nuovamente una gravità di 1,8 g fino a quando il velivolo non  viene livellato orizzontalmente alla quota iniziale di partenza di 6000 metri pronto per la successiva parabola. Queste manovre sono effettuate ripetutamente, ogni tre minuti tra l’inizio di due parabole consecutive, cioè un  minuto di fase parabolica (20 secondi ad 1,8g + 20 secondi di microgravità + 20 secondi a 1,8g) seguiti da due  minuti di intervallo di volo livellato ad 1g. Dopo la sedicesima parabola l’intervallo di riposo è aumentato a 8  minuti per dare il tempo a tutti di riprendere fiato e apportare modifiche agli strumenti.  L’Airbus A310 effettua fino a sei campagne all’anno (professionali, scientifiche e commerciali). Realizzare voli  parabolici comporta manovre molto complesse e impegnative. Per questo l’Airbus “Zero G” è stato sottoposto  ad una speciale opera di rafforzamento e a ogni volo sono presenti 4/5 piloti tutti del Centro Sperimentazione  Volo Francese CEV.

L’azienda francese NoveSpace fornisce all’ESA la logistica delle campagne di voli parabolici e supervisiona e  controlla la preparazione tecnica degli esperimenti. Il centro sperimentale per il volo francese fornisce tutto il  personale di volo e di supporto. Il supporto tecnico per il velivolo è fornito dall’azienda Sabena.  Una tipica campagna dell’ESA dura normalmente due settimane. La prima settimana è dedicata al ricevimento  degli esperimenti, istallazione, test e le calibrazioni all’interno del velivolo. La seconda settimana è dedicata ai  voli parabolici. All’inizio della seconda settimana tutte le persone che parteciperanno ai voli partecipano a  riunioni sulla sicurezza e briefing dove ci si scambiano informazioni.

La sicurezza dell’equipaggio e delle attrezzature durante le campagne di voli parabolici dell’ESA è ovviamente  di fondamentale importanza. I voli parabolici sono considerati come voli sperimentali perciò particolari  precauzioni sono prese per far si che tutte le operazioni in volo siano fatte in sicurezza e che i partecipanti  siano adeguatamente preparati alle ripetute fasi di iper e microgravità.

Prima della campagna ai ricercatori viene fornito un supporto tecnico per progettare le loro attrezzature e per  renderle assolutamente sicure. Tutti gli esperimenti sono rivisti dagli esperti dell’ESA durante la visita ai  laboratori di ricerca i cui esperimenti sono stati ammessi alla campagna.

Un mese prima dei voli viene effettuata una revisione di sicurezza durante la quale viene discussa  l’integrazione di tutte le attrezzature e valutata l’organizzazione generale della sicurezza dei voli.

Infine una visita di ispezione è condotta nell’aereo prima del primo volo per verificare che tutte le attrezzature  imbarcate siano conformi agli standard di sicurezza. Tutti i ricercatori invitati dall’ESA a partecipare ai voli  parabolici devono essere sottoposti ad un esame medico (FAA classe III) e ad un test fisiologico. Prima di  essere accettato a bordo ho dovuto effettuare esami clinici e una visita finale presso il mio medico curante con  una check-­list indicata dai medici dell’ESA. I ricercatori a bordo indossano tute di volo speciali fornite dall’ESA,  le stesse utilizzate dagli astronauti. Per gli esperimenti proposti condotti su soggetti umani,  i protocolli medici presentati dai ricercatori sono rivisti per assicurarsi che le ricerche siano condotte rispettando  le norme etiche e di sicurezza. Durante i voli il personale specializzato supervisiona e supporta le operazioni associate ai diversi esperimenti. Un medico di bordo partecipa a tutte le missioni per controllare  gli aspetti medici delle operazioni e per assistere i partecipanti in caso di malesseri.

Ad ogni partecipante viene consegnato un sacchetto da tenere sempre pronto. Come immaginate vomitare  in microgravità comporterebbe un vero disastro per tutti. Per questo motivo chi dà segni di sofferenza viene  immediatamente condotto in fondo all’aereo e legato al sedile, fatto sdraiare e seguito dal medico. L’aereo  ovviamente non può interrompere il volo e tornare alla base.

Cosa accade al corpo umano

L’apparato cardiovascolare risulta essere fortemente influenzato dalla forza di gravità. E in particolare le  alterazioni emodinamiche che si vengono a creare in questa nuova situazione sono responsabili di disturbi  quali vertigini e nausea riconducibili ad una insufficiente circolazione di sangue alla testa e al cervello cui  segue, dopo pochi minuti di stazione eretta, un senso di svenimento che costringe ad assumere la posizione  orizzontale. Sperimentata dagli astronauti al loro rientro nel campo gravitazionale terrestre dopo i voli spaziali.  A causa del continuo alternarsi di fasi di iper  e microgravità è abbastanza comune tra i partecipanti soffrire di disturbi quali nausea e vomito a tal punto, a  volte, di impedire di effettuare gli esperimenti. Anche nel nostro team alcuni degli studenti hanno sofferto  nausea e vomito, durante e dopo il volo.