Membrane a Nanotubi di Carbonio per Propulsione Primaria Spaziale ad Elevate Prestazioni (CLIPPER)

1. ASI Gestione progetto (Prime Contractor) Galileian Plus Co-investigator Politecnico di Torino Principal investigator tecnologico IMM – CNR Bando Asi per lo Sviluppo Tecnologico Membrane a Nanotubi di Carbonio per Propulsione Primaria Spaziale ad Elevate Prestazioni (CLIPPER) Presentato a fine ottobre 2007 - Accettazione non ancora ufficiale (secondo indiscrezioni ricevute in febbraio)

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

3. 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

4. Membrane di MWCNTs (Materiali di III generazione) • - 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 solare • 4) 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).

5. o sfruttando attrazione elettrostatica o forze di WdV più fogli incrociati membrana densificazione Figura 5. Immagine SEM di una foresta di MWCNTs depositata a 900 °C su film di 2 nm di Ni evaporati su SiO2/Si. Science 2005 - Anvar Zakhidov et al. (NanoTech Inst., University of Texas, Dallas (USA) Realizzazione di membrane di piccole dimensioni per misure delle proprietà termo-ottiche, meccaniche, elettriche

6. Galileian Plus • Responsabilità del Coordinamento del Progetto. • 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 • Responsabilità di estesi test meccanici sui campioni rappresentativi di vela a membrane di MWCNTs. • Modellizzazione delle membrane di MWCNT e scaling-up delle superfici delle membrane di MWCNT

7. IMM – Bo • Coordinamento del sottosistema “Membrane di Nanotubi al Carbonio”. • Messa a punto delle foreste di MWCNTs su substrati rigidi adatte alla tessitura dei fogli o membrane. • Sviluppo della tecnologia per la realizzazione di campioni di vela solare. • Costruzione del sistema di tiratura della trama di MWCNTs per ottenere i fogli. • Relativa caratterizzazione strutturale, ottica ed elettrica. • Realizzazione di piccole membrane

8. Personale coinvolto • CNR - IMM – Bo • Rita Rizzoli Coordinatore scientifico del progetto • Renato Angelucci • Giulio Paolo Veronese • Francesco Suriano • Caterina Summonte • Andrea Migliori • Franco Corticelli • Giulio 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)

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

10. 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.