Scheda di presentazione di OSIRIS-REx

Questa è la scheda di presentazione della missione OSIRIS-REx di NASA.

Indice della scheda

Indice

Nome della missione ed eventuale badge

Il nome della missione è un acronimo che rispecchia gli scopi della sonda: Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification, Security and Regolith Explorer.


Patch della missione.
:camera_flash:: NASA.

Obiettivi di missione

Gli obiettivi scientifici di OSIRIS-REx includono, in relazione alle lettere dell’acronimo:

  • Origins, origini: ritorno e analisi di un campione della superficie di Bennu, l’asteroide attorno a cui orbita la sonda;
  • Spectral Interpretation, interpretazione spettrale: fornire dati di base o osservazioni dirette per dati telescopici dell’intera popolazione di asteroidi;
  • Resource Identification, identificazione di risorse: mappare la situazione chimica e mineralogica dell’asteroide;
  • Security, sicurezza: misurare l’effetto della luce solare sull’orbita di un piccolo asteroide, noto come effetto Yarkovsky;
  • Regolith Explorer, esploratore di regolite: documentare la regolite, lo strato superficiale dell’asteroide, nel luogo di campionamento, con una scala inferiore al centimetro. La missione ha anche il compito di riportare a Terra almeno 60 grammi di suolo dell’asteroide.

Profilo di missione

Il lancio è avvenuto l’2016-09-08T23:05:00Z a bordo di un Atlas V 411 di ULA, dal pad SLC 41 di Cape Canaveral, Florida. La finestra di lancio si è aperta il 2016-09-03T00:00:00Z e aveva una durata complessiva di 39 giorni, ovvero fino al 2016-10-12T00:00:00Z. Durante i 39 giorni, la finestra di lancio disponibile era di 30 minuti.

Dopo un gravity assist con la Terra nel settembre 2017, OSIRIS-REx ha iniziato un periodo di crociera di circa 11 mesi, durante i quali si è individuato otticamente Bennu. Il rendezvous è avvenuto nell’ottobre 2018, al quale è seguito un mese di lento approccio per permettere il controllo e l’attivazione di tutti i sistemi della sonda. Il campionamento del suolo di Bennu è avvenuto il 2020-10-19T22:00:00Z e la partenza per il ritorno sulla Terra è prevista per marzo 2021, con l’arrivo dei campioni il 2023-09-23T22:00:00Z presso lo Utah Test and Training Range (UTTR) a Tooele County, Utah. La capsula di ritorno sarà rilasciata dalla sonda quattro ore prima del rientro in atmosfera, mentre OSIRIS-REx effettuerà una manovra che le impedirà di impattare l’atmosfera e quindi disintegrarsi. Grazie allo scudo termico e ad un sistema di paracadute, che si apriranno ad un’altitudine di 3 chilometri, la capsula atterrerà sul suolo americano. Successivamente verrà trasportata all’Astromaterials Acquisition and Curation Office (AACO) al Johnson Space Center di Houston, Texas, per essere custodita e analizzata. L’AACO è il luogo in cui si trovano i campioni lunari delle missioni Apollo, quelli delle missioni Genesis e Stardust, la collezione di meteoriti dell’Antartide e alcuni campioni della missione Hayabusa di JAXA.
La missione dovrebbe terminare il 2025-09-29T22:00:00Z, dopo ben 7 anni di servizio e due di analisi dei campioni.

Dettaglio di tutte le fasi della missione

Fase di approccio

La fase di approccio è iniziata il 2018-08-16T22:00:00Z a circa due milioni di chilometri da Bennu, individuandolo otticamente e scandagliandone l’area circostante per individuare eventuali satelliti naturali o materiali che potessero costituire un pericolo alla sonda. La fase è terminata il 2018-12-02T23:00:00Z con l’arrivo di OSIRIS-REx a Bennu.

Fase di indagine preliminare

Dopo l’arrivo la sonda ha effettuato cinque passaggi sopra al polo nord, al polo sud e all’equatore ad un’altezza di 7 chilometri, per determinare la massa di Bennu, migliorare il modello di rotazione precedentemente ipotizzato e generare una mappa globale ad una risoluzione di 75 centimetri.

Fase orbitale A

Dal 2018-12-30T23:00:00Z OSIRIS-REx è stata inserita in un’orbita legata a Bennu, con un apogeo di 1.6 km e un perigeo di 2.1 e una velocità di 5cm/s, per un totale di 61,4 ore per un’orbita. È stata la prima volta in cui una sonda ha orbitato un corpo così piccolo. Lo scopo di questa fase era far acquisire conoscenza al team di missione con la navigazione in prossimità di un corpo così piccolo, effettuando anche la transizione tra guida grazie alle stelle e guida con l’aiuto del terreno.

Baseball Diamond

Il 2019-02-27T23:00:00Z è iniziata la fase in cui OSIRIS-REx ha trascorso i suoi passaggi a varie angolazioni per riprendere immagini dettagliata della superficie e classificare quindi le zone come sicure o meno per un eventuale campionamento. Per chi volesse vedere il risultato, qui, alla sezione download, ci sono le immagini (troppo pesanti per essere caricate). Il nome dovrebbe essere stato dato per la forma che ha Bennu, simile ad un campo di baseball, ma non sono esperto.

Equatorial Stations

Durante questa fase sono state eseguite osservazioni per individuare il miglior luogo per effettuare il TAG. OSIRIS-REx ha percorso delle orbite polari, durante le quali ha effettuato osservazioni tramite sette diverse stazioni, permettendo di produrre, una volta uniti i dati, la Integrated Global Science Value Map, la Global Safety Map e la Global Sampleability Map, rispettivamente delle mappe che rappresentano il possibile ritorno scientifico, le zone di sicurezza e la facilità di estrazione.

Fase orbitale B

Terminate le fasi di acquisizioni dei dati, la sonda ha abbassato la propria orbita ad 1 chilometro sulla superficie, infrangendo nuovamente il record stabilito sempre da OSIRIS-REx all’inizio della fase orbitale A. In questa fase si è mappato tutto Bennu nuovamente, si è sviluppato un modello basandosi sui dati di OLA e sono stati eseguiti esperimenti radio, il tutto per scremare i possibili siti di campionamento. La fase si è conclusa con un avvicinamento al sito primario e di back up.

Fase orbitale C

Terminata la fase B, OSIRIS-REx è tornata in un’orbita leggermente più alta (1,3 km) per osservare eventuali espulsioni di materiale dalla superficie

Fase di ricognizione A

Nell’ottobre 2019 sono stati effettuati quattro passaggi ravvicinati, alla distanza di 1 chilometro, dei quattro siti rimasti in competizione come punto di raccolta: in ordine si è sorvolato Sandpiper, Osprey, Kingfisher e Nightingale. Questa fase ha permesso di stabilire quali fossero i due siti più adatti in base all’albedo, topografia, colore e facilità di estrazione.

Fase orbitale R

Una sottofase della fase di ricognizione, durante la quale OSIRIS-REx ha mantenuto un’orbita di 1,4 km tra novembre 2019 e gennaio 2020.

Fase di ricognizione B

Durante questa fase il sito primario di raccolta Nightingale e quello di backup Osprey sono stati sorvolati ad un’altitudine di 625 metri, mentre il resto dell’orbita è stato percorso a 1,4 km di altezza. È stato completato il Natural Feature Tracking, un catalogo di immagini della superficie che verrà poi utilizzato dalla sonda per confrontare, in tempo reale, quello che ha sta osservando con la fotocamera e quello che ha in memoria, effettuando eventuali correzioni o abort.

Fase di ricognizione C

Un altro sorvolo per i due siti sopra menzionati è stato effettuato, questa volta a 250 metri, per acquisire immagini ad alta risoluzione e stabilire la zona con più regolite per ogni luogo.

Simulazione del TAG

Nell’aprile 2020 OSIRIS-REx ha effettuato una simulazione del TAG, lasciando l’orbita, spostandosi verso un punto prestabilito, detto Checkpoint, a 125 metri sopra al sito di campionamento e poi tornando all’orbita originale. Nell’agosto 2020 è stata portata avanti una simulazione, che ha superato la prima procedendo fino al Matchpoint burn, dove ha approcciato, ma non toccato, il sito di campionamento, salvo poi tornare in orbita. Sono stati quindi testati tutti i sistemi e acquisite le ultime immagini prima del TAG vero e proprio.

Touch-and-GO

Il 2020-10-19T22:00:00Z è stato effettuato il TAG, la manovra che ha portato a raccogliere i campioni di suolo di Bennu. Il TAGSAM è stato esteso e la zona di raccolta, grazie alla spinta della sonda, si è appoggiata sulla superficie. Un getto di azoto, contenuto in una bombola, ha permesso di sollevare il materiale e di raccoglierlo in due contenitori. La sonda poi è ritornata in orbita attorno a Bennu, effettuando il trasferimento dei materiali nella SRC. Non è stato possibile misurare, confrontando la differenza del momento d’inerzia della sonda prima e dopo il campionamento, la massa raccolta in quanto alcuni sassi più grandi hanno impedito una corretta chiusura del meccanismo di raccolta, facendo perdere qualche grammo di campioni.

Raccolta dei campioni
Processo di raccolta dei campioni.
:camera_flash:: NASA.

Operazioni

Mappatura

La mappatura della superficie è stato un aspetto cruciale per la riuscita della missione, in quanto la presenza di ostacoli o sporgenze avrebbero potuto causare danni allo strumento di raccolta o alla sonda stessa. Sono state quindi prodotte quattro mappe per identificare i potenziali siti di campionamento, basandosi sui seguenti criteri:

  1. Sicurezza della sonda, che doveva essere in grado, come già detto, di non incontrare ostacoli durante il TAG.
  2. Facilità di raggiungimento del luogo di campionamento, che doveva essere un luogo accessibile da parte della sonda.
  3. Capacità di raccolta, in quanto il luogo non doveva presentare polvere e sassi più grandi di due centimetri.
  4. Ritorno scientifico, in quanto nonostante qualsiasi campione ritornato avrebbe rappresentato un grande valore, si sarebbe scelto, tra quelli disponibili, quello dal maggior contributo.

Le quattro mappe sono state integrate sul modello 3D di Bennu, originariamente basato sulle osservazioni da Terra e in seguito migliorato con l’arrivo di OSIRIS-REx in orbita.

Navigazione

Come già detto, prima dell’inserimento in orbita la sonda si è orientata grazie agli star tracker; una volta effettuato l’inserimento, la navigazione è proceduta grazie al confronto della superficie di Bennu con quella salvata in memoria. La bassa gravità dell’asteroide, infatti, è tale che il 50% delle forze agenti su OSIRIS-REx sono quelle dovute al vento solare e alla pressione di radiazione del Sole.

Raccolta di campioni

Una volta individuato il sito finale di raccolta, la sonda ha proceduto al tentativo di raccolta dei campioni grazie al braccio robotico TAGSAM e al contenitore posto alla sua estremità. Dell’azoto, un gas inerte che non avrebbe contaminato i campioni, è stato espulso da delle bombole, alzando parte della superficie. In caso di esito negativo della manovra, a bordo sono disponibili altre due bombole di azoto per altrettanti tentativi. Se invece l’esito fosse positivo, verrà tentata una manovra di rotazione attorno all’asse della sonda per determinare, in base alla variazione di momento angolare senza campioni, la quantità di materiale raccolto.

Ritorno della capsula

Una volta nei laboratori dell’AACO al JSC, gli scienziati porteranno una parte dei campioni in un luogo sicuro nel New Mexico, come una sorta di garanzia, mentre alte parti verranno divise con JAXA e CSA. Verranno condotte poi analisi preliminari, cercando tracce di amminoacidi. Almeno il 75% del materiale verrà riservato per analisi e investigazioni per le prossime generazioni di scienziati. Dopo circa sei mesi, infine, NASA inizierà la distribuzione di parti dei campioni ai team, provenienti da tutto il mondo, che hanno fatto richiesta e sono stati accettati da NASA.

Dimensioni della sonda

La sonda raggiunge i 6,20 metri di lunghezza con i pannelli solari dispiegati, i 2,43 metri di profondità e i 3,15 metri in altezza, mentre la lunghezza del TAGSAM è di 3,35 metri. senza alcun propellente caricato, raggiunge una massa di 880 kg, mentre rifornita i 2110 kg. I pannelli solari forniscono una potenza tra i 1226 e i 3000 watt, in base alla distanza dal Sole e coprono una superficie di 8,5 m².
La sonda è un derivato sia delle missioni MRO (Mars Reconnaissance Orbiter) sia di MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN), migliorando gli aspetti chiave dei due sistemi. La sonda è composta da un corpo centrale, che include tutti i sottosistemi di controllo, del TAGSAM (Touch-And-Go Sample Acquisition Mechanism), il braccio deputato a raccogliere i campioni dalla superficie, dalla SRC (Sample Return Capsule) e infine da cinque strumenti scientifici.

Di seguito un modello 3D della sonda e il link per scaricarlo.

Strumenti scientifici

OSIRIS-REx a bordo porta cinque strumenti.

  • EPS (Electrical Power Subsystem): composto da due pannelli solari rigidi, fissati attorno agli assi Y e Z della sonda. Sono presenti due batterie da utilizzare per le manovre in condizioni di insufficiente illuminazione solare, come il TAG.

  • PPS (Propulsion Subsystem): prodotto dalla Aerojet Rocketdyne, include un motore principale, razzi di correzione di rotta, razzi di controllo dell’assetto e gruppi motore a reazione a bassa spinta. I sistemi propulsivi includono quattro MR-107S da 222 N, sei MR-106L da 22 N, sedici MR-111G da 4.4 N e due MR-401 da 0.44 N.

  • OCAMS (OSIRIS-REx Camera Suite): un insieme di tre fotocamere che permettono la mappatura della superficie. Sono state costruite dall’University of Arizona.
    • PolyCam: un telescopio da 20 centimetri che acquisirà per primo le immagini di Bennu e le prime immagini ad alta definizione da una lunga distanza. Sarà rifocalizzato per risolvere oggetti più piccoli di 1 centimetro durante la fase di individuazione dei siti di campionamento.
    • MapCam: cercherà eventuali satelliti in orbita e successivamente fornirà immagini ad altra risoluzione per i siti di raccolta.
    • SamCam: una fotocamera che riprenderà il TAG.

  • OLA (OSIRIS-REx Laser Altimeter): uno strumento simile ad un radar, ma che utilizza luce infrarossa al posto di onde radio per misurare la distanza e prende il nome di LIDAR. Permetterà di costruire una mappa 3D di Bennu e di una mappa locale ad alta definizione per i siti di campionamento. È costituito da due laser, un trasmettitore ad alta energia per misurare e mappare ad una distanza tra 1 e 7,5 chilometri e un trasmettitore a bassa energia per distanza inferiori a 1,5 chilometri. Servirà anche per la navigazione e la misurazione del campo gravitazionale. Lo strumento è stato prodotto dalla Canadian Space Agency.

  • OVIRS (OSIRIS-REx Visible and InfraRed Spectrometer): uno spettrometro che fornirà spettri tramite l’utilizzo di lunghezze d’onda tra 0,4 e 4,3 micrometri, permettendo l’identificazione di minerali e materiali organici.

  • OTES (OSIRIS-REx Thermale Emission Spectrometer): uno strumento che raccoglierà dati nell’infrarosso, per lunghezze d’onda comprese tra 5 e 50 micrometri, per sviluppare mappe di emissione spettrale dei potenziali siti di raccolta. Come OVIRS permetterà l’identificazione di minerali e materiali organici, ma fornirà anche l’emissione termica totale e la temperatura superficiale di Bennu.

  • REXIS (Regolith X-Ray Imaging System): un esperimento nato come collaborazione tra studenti che permetterà di ricavare una distribuzione dell’abbondanza dei metalli sulla superficie di Bennu tramite la spettrografia a fluorescenza a raggi X, risultando complementare agli altri strumenti di analisi dei metalli.

  • Antenne ad alto e basso guadagno: il team addetto alle telecomunicazioni utilizzerà il Deep Space Network per ottenere misure precise dell’effetto Doppler e quindi misure di distanza della sonda. I dati radiometrici verranno utilizzati per misurare la massa e la gravità di Bennu, fornire informazioni sulla struttura interna e migliorare i dati sull’effetto Yarkovsky.

  • TAGSAM (Touch-And-Go Sample Acquisition Mechanism): un contenitore posto all’estremità di un braccio robotico con lo scopo di aspirare la regolite dalla superficie di Bennu. Nonostante si tratti di una tecnologia mai utilizzata prima, esperimenti hanno mostrato come sia in grado di raccogliere più dei 60 grammi di campioni, considerato il minimo per dichiarare un successo la missione. È stato sviluppato dalla Lockheed Martin.

  • TAGCAMS (Touch-and-Go Camera System): telecamere facenti parte del sistema di navigazione, controllo e guida di OSIRIS-REx.
    • NavCams: due fotocamere a 5 MPx in bianco e nero utilizzate per la navigazione ottica della sonda, tracciando le stelle e la superficie dell’asteroide.
    • StowCam: una fotocamera a 5 MPx a colori utilizzata per verificare il corretto stoccaggio dei materiali all’interno della capsula di ritorno.

  • SRC (Sample Return Capsule): la capsula, dotata di paracadute e scudo termico, che riporterà a Terra i campioni di suolo raccolti. È stata sviluppata da Lockheed Martin basandosi su un design simile a quello della capsula di Stardust nel 2006.


OCAMS.
:camera_flash:: NASA. Foto a risoluzione maggiore.


OLA.
:camera_flash:: NASA. Foto a risoluzione maggiore.


OTES.
:camera_flash:: NASA. Foto a risoluzione maggiore.


OVIRS.
:camera_flash:: NASA. Foto a risoluzione maggiore.


REXIS.
:camera_flash:: NASA. Foto a risoluzione maggiore.


TAGSAM.
:camera_flash:: NASA. Foto a risoluzione maggiore.


SRC.
:camera_flash:: NASA. Foto a risoluzione maggiore.

Esperimenti in programma

Oltre a misurazioni dell’effetto YORP, una dettagliata misurazione della gravità dell’asteroide (solamente 0,00009807 m/s², un decimillesimo di quella terrestre) e una mappatura precisa della superficie dell’asteroide si sono rese necessarie per assolvere allo scopo principale, la raccolta dei campioni. Dopo aver individuato quattro zone sufficientemente pianeggianti e sgombre da pericoli, si è proceduto alla manovra del TAG (Touch And Go), che ha dato esito positivo.


Di seguito un modello 3D dell’asteroide Bennu e il link per scaricare il modello.

Corpi celesti da visitare

Storia e individuazione

Unico e principale target della missione è l’asteroide Bennu, originariamente noto come 101955 Bennu. Fu scoperto l’1999-09-10T23:00:00Z dal progetto Lincoln Laboratory Near Earth Asteroid Research (LINEAR), parte del programma di osservazione degli oggetti vicini alla Terra. LINEAR è una collaborazione tra USAF, NASA e il Lincoln Laboratory del MIT ed utilizzando osservazioni radar, ottiche e spettroscopiche ha rivelato informazioni importanti sull’orbita, composizione, dimensione e forma dell’asteroide. Il nome Bennu è stato dato dallo studente Michael Puzio durante un contest internazionale per gli studenti e deriva dalla divinità egizia legata alla rinascita e simboleggiato da un airone. Bennu rappresenta il più studiato near-Earth asteroid che sia mai stato visitato da una sonda, grazie anche alle sopracitate osservazioni radar e infrarosse. È inoltre un Potentially Hazardous Asteroid (PHA), un asteroide potenzialmente pericoloso, che si avvicina alla Terra circa ogni sei anni.

Caratteristiche fisiche

Bennu è un asteroide Apollo di tipo B con una protuberanza in zona dell’equatore e un diametro di 492 metri. Compie una rivoluzione intorno al Sole in circa 1.2 anni e una rotazione attorno al proprio asse in 4,228 ore. Ciò che lo rende di classe Apollo è la distanza dal Sole, compresa tra 1,3559 UA e 0,89689 UA (tra ~203 e ~134 milioni di chilometri), mentre ciò che lo rende di tipo B è la densità, stimata in 1,3 g/cm³, simile a quella del carbone, il che porta ad una massa stimata in 77,6 milioni di tonnellate. Tornando in termini di distanza, questa volta dalla Terra, Bennu arriva a 0,003 UA (~449 mila chilometri) nel punto più vicino e a 2,3 UA (~344 milioni di chilometri) nel punto più distante. Il piano orbitale di Bennu è inclinato di circa 6° rispetto a quello terrestre.

Importanza scientifica

Come per Psyche e Lucy, entrambe dirette verso degli asteroidi, l’importanza di Bennu è data dal fatto che gli asteroidi sono i rimanenti dei primi “mattoni” utilizzati nella costruzione del sistema solare, aiutando così la comprensione della formazione dei pianeti, del sistema solare e delle origini della vita. Il ritorno di campioni, inoltre, permetterà di effettuare analisi che non possono essere portate avanti dagli strumenti della sonda o dalle analisi dei meteoriti. La misurazione del coefficiente YORP permetterà infine di stabilire l’influenza del Sole sulle orbite degli asteroidi e migliorare quindi eventuali soluzioni per la difesa planetaria.

Scelta dell’obiettivo

Bennu è stato scelto per motivi di facilità nel ritorno dei campioni: affinché una missione come OSIRIS-REx sia profittevole, è necessario che l’asteroide sia tra 0,8 AU e 1,6 AU (tra ~119,7 e ~239 milioni di chilometri), abbia un’orbita il più possibile circolare e con una bassa inclinazione. A concludere le caratteristiche ottimali entra il (relativamente) basso periodo di rotazione, che permette alla sonda di eseguire le operazioni in sicurezza, e l’elevata presenza di carbonio.

Costi

La missione, escludendo i servizi di lancio, ha un costo di circa 800 milioni di dollari.

Sviluppo e gestione della missione

La gestione generale della missione è affidata al Goddard Space Flight Center a Greenbelt, nel Maryland. Il Principal Investigator è Dante Lauretta. Lockheed Martin Space System ha costruito OSIRIS-REx e fornisce le operazioni di missione.

Record e particolarità

Sarà la prima missione statunitense a riportare campioni da un asteroide e il più grosso carico di ritorno dall’epoca Apollo.

È la terza missione del programma New Frontiers di NASA, dopo New Horizons e Juno.

Account social e siti ufficiali

Per questa missione è disponibile l’account Twitter @OSIRISREx, Instagram @osiris_rex e Facebook @OSIRISREx e il canale YouTube OSIRIS-REx Mission. Il sito ufficiale della missione, che si può trovare poco di sotto alle fonti, è questo, mentre NASA dedica una pagina riassuntiva qui.


Fonti

Fonte: NASA - OSIRIS-REx fact sheet (pdf)
Fonte: OSIRIS-REx press kit.pdf (2,0 MB)
Fonte: NASA - OSIRIS-REx official website
Fonte: NASA Solar System - In depth: OSIRIS-REx.

Per chi volesse approfondire con veramente tanti tanti dettagli, molti dei quali non sono stati riportati in questa scheda, può trovare le risposte a questo link dell’EOS Portal.

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