IMM - 21 aprile 2009

Membrane a Nanotubi di Carbonio per Propulsione Primaria Spaziale ad Elevate

Prestazioni (CLIPPER)

Bando Asi per lo Sviluppo Tecnologico

Presentato a fine ottobre 2007 - Accettazione non ancora ufficiale (secondo indiscrezioni ricevute in febbraio)

ASI

Gestione progetto (Prime Contractor)Galileian Plus

Principal investigator tecnologicoIMM – CNR

Co-investigator Politecnico di Torino

IMM - 21 aprile 2009

NASA 4-quadrant solar sail system fully deployed 100-foot-diameter

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.

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• 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.

Membrane di MWCNTs

IMM - 21 aprile 2009

- 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 solare4) conducibilità termica da previsioni teoriche: 6 kW/m K a 3 kW/m K (per il rame è 0.4 kW/m K, mentre per il diamante è 0.2 kW/m K).

Membrane di MWCNTs (Materiali di III generazione)

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Figura 5. Immagine SEM di una foresta di MWCNTs depositata a 900 °C su film di 2 nm di Ni evaporati su SiO2/Si.

Figura 7. Schema del processo di cardatura dei MWCNTs e formazione del foglio.

adesivo

Foresta di MWNTs

foglio

o sfruttando attrazione elettrostatica o forze di WdV

più fogli incrociati membrana densificazione

Realizzazione di membrane di piccole dimensioni per misure delle proprietà termo-ottiche,

meccaniche, elettriche

Science 2005 - Anvar Zakhidov et al. (NanoTech Inst., University of Texas, Dallas (USA)

IMM - 21 aprile 2009

Galileian Plus1. Responsabilità del Coordinamento del Progetto. 2. 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 1. Responsabilità di estesi test meccanici sui campioni rappresentativi

di vela a membrane di MWCNTs. 2. Modellizzazione delle membrane di MWCNT e scaling-up delle

superfici delle membrane di MWCNT

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IMM – Bo

1. Coordinamento del sottosistema “Membrane di Nanotubi al Carbonio”.

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

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Personale coinvoltoCNR - IMM – Bo

Rita Rizzoli Coordinatore scientifico del progettoRenato Angelucci Giulio Paolo Veronese Francesco Suriano Caterina Summonte Andrea Migliori Franco CorticelliGiulio Pizzochero

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)

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Co-funding(€)

ASI(€)

Totale(€)

Personale IMM 156.140

Assegni 214.500

Altri costi eutilizzo 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

Durata progetto: 30 mesi - prezzi al netto dell’IVA

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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.