INTErnational Gamma-Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL) è un telescopio spaziale dell’Agenzia Spaziale Europea sviluppato per individuare le più energetiche radiazioni nello spazio. È il più sensibile telescopio a raggi gamma mai sviluppato, nonché il più pesante satellite scientifico europeo inviato nello spazio. Integral è in orbita dal 17 ottobre 2002 e durante la sua lunga carriera ha riscosso numerosi successi scientifici.

“Darmstadt, abbiamo un problema”

Il 22 settembre, intorno a mezzogiorno, Integral è entrato in modalità provvisoria di emergenza. Una delle tre “ruote di reazione” attive sulla navicella si è spenta senza preavviso e ha smesso di girare. Il malfunzionamento ha generato un effetto a catena sul veicolo spaziale. Integral ha iniziato a ruotare su sé stesso in maniera incontrollata. Non riuscendo a direzionare correttamente i pannelli solari, le batterie hanno iniziato rapidamente a scaricarsi.

Una situazione di questo genere spesso può rappresentare l’epilogo della vita di un satellite. Senza energia per la strumentazione di bordo e senza possibilità di controllare l’assetto del veicolo, Integral sarebbe andato incontro a un triste destino. L’ESA è però riuscita a ristabilire le comunicazioni e risolvere il problema, durante un processo durato solamente poche ore.

I retroscena

Le ruote di reazione sono dei dispositivi usati per il controllo di assetto degli spacecraft. Ruotando attorno a un asse, riescono a esercitare una coppia sul satellite che riesce, quindi, a “reagire” ruotando nel verso opposto a quello delle ruote. Questo consente la stabilizzazione del veicolo spaziale con precisione, anche in presenza di perturbazioni. Il mantenimento dell’assetto è fondamentale tanto per il conseguimento degli obiettivi di missione (l’osservazione del cosmo) quanto per il corretto orientamento dei pannelli solari per la ricarica delle batterie. Se una delle ruote di reazione smette di girare l’effetto immediato è che viene meno il bilanciamento delle forze agenti sul satellite il quale si metterà a ruotare. Le ruote di reazione, ruotando continuamente a velocità crescente (condizione necessaria per garantire la generazione della coppia) devono essere però periodicamente desaturate mediante l’utilizzo di propulsori.

Il “caso Integral” è però molto particolare. L’anno scorso il satellite ha subito un guasto al suo sistema di propulsione. Gli ingegneri a capo della missione hanno quindi dovuto elaborare una strategia di controllo che non prevedesse l’utilizzo dei motori, ma delle sole tre ruote di reazione. Grazie a un lavoro magistrale sono riusciti nell’impresa garantendo il controllo del veicolo. Tuttavia, il guasto ad una delle ruote ha completamente compromesso la situazione. Integral si è di fatto ritrovato a essere completamente fuori controllo senza neppure la possibilità di sfruttare i suoi propulsori.

Le cause

A causare il malfunzionamento di una delle ruote di reazione è stato con tutta probabilità un SEU (Single Event Upset). Questo fenomeno nasce dall’interazione delle particelle cariche ad alta energia con parti sensibili dell’elettronica di bordo. SEU di piccola entità possono generalmente alterare in maniera momentanea il funzionamento di alcuni strumenti, non creando danni permanenti. Spesso questi eventi vengono gestiti attraverso ridondanze che quindi sopperiscono qualora uno strumento dovesse riscontrare problemi. Esistono però casi, come quello capitato a Integral, in cui il Single Event Upset provoca danni più importanti, arrivando a rendere inutilizzabile per molto tempo o anche permanentemente uno strumento.

Le particelle “cariche” e ionizzate provengono generalmente dal vento Solare.  La loro presenza è molto più accentuata durante i periodi di grande attività della nostra Stella, quando si verificano CME (Coronal Mass Ejection) e brillamenti. Nel periodo in cui è avvenuto il guasto però, non si è registrato alcun incremento dell’attività del Sole.

Questo ha portato gli scienziati a ipotizzare un’altra sorgente per le particelle ad alta energia. La più probabile è quella delle “radiation belts” che vi sono attorno alla Terra. Grazie alla presenza del campo magnetico terrestre, attorno al nostro pianeta sono presenti fasce di radiazione all’interno delle quali vengono intrappolate particelle energetiche.  L’orbita di Integral è ellittica con perigeo intorno ai 1500 km, pertanto, durante il suo percorso attorno alla Terra il satellite attraversa le fasce di Van Hallen entrando a contatto con le particelle energetiche presenti in tali zone.

La soluzione e la ricaduta

Quando il centro di controllo ha rilevato il malfunzionamento ha provveduto immediatamente a riattivare la ruota di reazione, ma la navicella ha continuato a girare a una velocità media di circa 17 gradi al minuto (circa 5 volte il massimo rispetto al funzionamento nominale), oltre a oscillare in modo imprevedibile attorno ai suoi assi. “I dati provenienti da Integral erano discontinui, arrivavano per brevi periodi a causa della rotazione. Ciò ha reso l’analisi ancora più difficile”, spiega Richard Southworth, Operations Manager per la missione.

Il primo obiettivo è stato quindi quello di ridurre il consumo energetico di Integral per guadagnare più tempo. “Le batterie si stavano scaricando, poiché c’erano solo brevi periodi di ricarica quando i pannelli si affacciavano al sole”. Le prime stime della carica residua prima del blackout e della perdita del satellite erano di appena tre ore. Spegnendo vari strumenti e componenti non critici, questo è aumentato a più di sei ore.

Con il supporto di esperti del settore, il team dell’ESOC (European Space Operations Centre) ha poi analizzato lo stato delle ruote di reazione, fornendo una serie di comandi per modificarne la velocità e frenare il satellite in rotazione. Nel tardo pomeriggio, i comandi sono stati inviati e hanno immediatamente successo, ma ci sono volute ancora tre ore per riportare Integral completamente sotto controllo e fuori pericolo immediato.

Sfortunatamente, poche ore dopo, quando il team di esperti si è riunito di nuovo per discutere i passi successivi, la navicella ha ricominciato a ruotare. La ragione di ciò non è ancora completamente compresa, ma si pensa che sia associata a un’ “occultazione dell’inseguitore stellare” o “accecamento”. Questo si verifica quando la Terra ostacola la vista delle stelle che il veicolo usa per orientarsi. Gli esperti hanno quindi ripetuto i passaggi dei giorni precedenti per stabilizzare la navicella spaziale e tornare alla posizione di puntamento del Sole, questa volta senza intralciare gli star tracker. Il recupero è durato solo un paio d’ore, mettendo in pratica le lezioni apprese la prima volta.

Il lieto fine

Da allora Integral è rimasto sotto controllo e dal 27 settembre tutti i sistemi sono tornati online. Dal 1° ottobre, dopo un lungo check-out, i suoi strumenti sono tornati a osservare l’Universo delle alte energie. Uno dei primi obiettivi di Integral sarà osservare stelle massicce nella regione di Orione e studiare l’impatto sull’ambiente circostante quando diventano supernova.

Questa vicenda suggerisce, qualora ce ne fosse ancora bisogno, quanto i sistemi spaziali siano ancora estremamente delicati. Un malfunzionamento apparentemente “banale” può arrivare a essere letale per un’intera missione. Lodevole è inoltre la prontezza con la quale gli addetti ai lavori hanno saputo rispondere ai problemi e l’acume dimostrato nel trovare le soluzioni. Non ci resta che augurare a Integral di continuare ancora a lungo la sua già longeva carriera.

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