Quando SEIS raggiungerà la sua destinazione alla fine di novembre, il sismometro più sensibile che sia mai stato realizzato entrerà in funzione su Marte. Sei motori passo-passo di FAULHABER con riduttore planetario stanno attualmente attraversando lo spazio e, una volta che la strumentazione sarà atterrata, avranno due compiti specifici: innanzitutto quello di bilanciare con precisione le meccaniche di misurazione, e poi quello di compensare le forze di tensione che sono necessarie per reagire alle notevoli fluttuazioni di temperatura stagionali.
I terremoti sono un segnale evidente dello spostamento di masse sotto la superficie di un pianeta. Questa consapevolezza nel mondo delle scienze naturali è abbastanza recente. Circa 100 anni fa, il geologo tedesco Alfred Wegener ha proposto la teoria della tettonica delle placche, che inizialmente era stata derisa dai suoi colleghi contemporanei. Oggigiorno, la nostra conoscenza delle placche continentali, che scorrono e si spostano sul mantello viscoso terrestre, viene regolarmente insegnata nelle scuole.
Profonde vallate ed elevate catene montuose: il movimento delle placche continentali modifica le formazioni geologiche. Sappiamo che ciò avviene sulla Terra. Ma cosa sappiamo del vicino pianeta Marte?
Più sensibile di qualsiasi altro dispositivo
La pianura del Reno in Germania si estende su una lunghezza di ca. 400 chilometri. Le Valles Marineris su Marte sono dieci volte più lunghe e, in alcuni punti, profonde fino a sette chilometri. È possibile che il canyon sul pianeta a noi vicino si sia formato anch’esso come conseguenza di un possibile spostamento della crosta del pianeta? Inoltre, questo ipotetico processo si è fermato tempo fa o è ancora in atto? Queste domande possono trovare risposte nelle misurazioni delle onde sismiche. C’è attività sismica su Marte? Marte è un pianeta “vivo”? La missione NASA denominata "InSight" e lanciata il 5 maggio 2018 dovrà fornire una risposta a questo e altri quesiti. La sonda predisposta per l’atterraggio toccherà il suolo di Marte alla fine di novembre e, per mezzo di un braccio meccanico, posizionerà un sismometro sulla superficie del pianeta. Lo strumento di misurazione, chiamato SEIS, ha una sensibilità tale da permettergli di rilevare spostamenti nel sottosuolo corrispondenti al diametro di un singolo atomo di idrogeno. La NASA descrive questo strumento come "il sismometro più sensibile che sia mai stato realizzato."
Compensazione dell’espansione di materiale
Le stagioni che si susseguono sul Pianeta Rosso danno origine a notevoli fluttuazioni di temperatura. Questo fenomeno rende complicata qualsiasi tipo di rilevazione. Per far fronte a questa problematica, all’interno del sismometro, si è reso necessario avere un sistema di bilanciamento termico controllato da un meccanismo di sospensione, che potesse permettere di effettuare tali rilevazioni in maniera sensibile e precisa. In genere, ciò che vale per la Terra vale anche per Marte: una differenza nelle temperature provoca la contrazione e l’espansione dei materiali e condiziona la loro resistenza; questo aspetto è particolarmente evidente nei meccanismi di sospensione. A causa di questa problematica all’interno della camera stagna di SEIS vi sono installati tre motori passo-passo del tipo AM 0820 di FAULHABER, finalizzati a compensare queste mutazioni di temperatura. I motori con un diametro di appena otto millimetri sono combinati con riduttori planetari della serie 08/1 di FAULHABER. Dotati di alloggiamenti in acciaio inossidabile, i riduttori dispongono di un albero speciale e di un cuscinetto a sfera appositamente rivestito per l’impiego su Marte.
Il sismometro è stato costruito da Sodern, una consociata del gruppo francese Ariane. In fase di selezione e valutazione della tecnica ideale di azionamento, i progettisti hanno cercato le apparecchiature con la tecnologia migliore. "Abbiamo dovuto effettuare una scrupolosa ricerca" ricorda il portavoce Rémy Lambertin. D’altronde l’azienda si accingeva a "produrre uno dei più piccoli strumenti mai spediti su Marte”. Le dimensioni ridotte del sismografo hanno inoltre complicato ulteriormente e notevolmente il minuzioso lavoro di ricerca poiché si sa che quanto più piccolo è uno strumento, tanto più è fragile. Di conseguenza, ci si è posti degli obiettivi molto alti per trovare un prodotto che rispettasse parametri altissimi in termini di robustezza, durevolezza e affidabilità operativa. La soluzione selezionata è risultata essere il sistema di azionamento formato dal motore passo-passo e il riduttore planetario FAULHABER. Progettato congiuntamente insieme alla consociata francese del gruppo FAULHABER il motore dovrebbe eseguire almeno 160 cicli correttivi lungo un lasso di tempo di due anni. In fase di progettazione i test condotti sulla terra si sono basati su una resistenza ben superiore. I motori hanno superato brillantemente tutti i test a un intervallo termico compreso tra i -120 e i + 70 gradi Celsius per oltre 6 anni. I MOTORI PASSO-PASSO DI FAULHABER sono già stati usati con successo in condizioni ambientali particolarmente difficili in occasione di altre missioni su Marte della NASA e dell’ESA.
La grande sfida della lubrificazione ottimale
Secondo Rémy Lambertin, una delle sfide più grandi associate all’uso del sismometro è stata quella di assicurarsi che la tecnica di azionamento venisse lubrificata in modo efficiente. La pressione media sulla superficie di Marte è di solo 6,36 hPa e ciò richiede l’uso di un lubrificante speciale. Come termine di paragone va considerato che sulla Terra, questo valore corrisponderebbe approssimativamente alla pressione dell’aria ad un’altitudine di 35 chilometri. L’affidabile lubrificazione dei cuscinetti a sfera dei motori e delle parti scorrevoli dei riduttori è stata affidata a Dicronite e, come specificato in precedenza, rappresenta uno dei fattori cruciali per consentire a SEIS di essere regolato senza gioco e con una durata di vita eccezionale sulla superficie di Marte. Lo strumento SEIS, acronimo per Seismic Experiment for Interior Structure, è composto fondamentalmente da due sensori sismologici triassiali che rilevano i movimenti del terreno di diverse intensità e frequenze. Un sensore misura le frequenze comprese tra 0,01 e 10 Hz, mentre l’altro misura le frequenze tra 0,1 e 50 Hz. SEIS è supportato da strumenti che misurano la forza del vento, la pressione atmosferica, la temperatura e i campi magnetici.
Obiettivo di queste misurazioni è quello di scoprire se le vibrazioni sono veramente di origine sismica o semplicemente il risultato di fattori distruttivi sulla superficie di Marte. In tutto, lo strumento è in grado di rilevare vibrazioni che spostano il terreno sul Pianeta Rosso per un valore inferiore allo spessore di un atomo di idrogeno. Questo grado di precisione risulta possibile solo in virtù del fatto che il sistema di posizionamento, azionato elettricamente usando motori passo-passo di FAULHABER, esegue una elaborata procedura di livellamento. Il sistema è stato sviluppato in Germania presso il Max Planck Institute for Solar System Research di Gottinga.
Micro azionamenti senza gioco angolare
Dopo l’ammartaggio su Marte a Novembre, gli assi dell’azionamento lavoreranno con un’accuratezza di posizionamento con tolleranze inferiori a 0.1 gradi. L’assenza di gioco angolare dei sei assi dell’azionamento Faulhaber assicura una costantemente elevata ripetibilità del movimento e tutto ciò con una massa netta inferiore a 20 grammi. Questo enorme sforzo tecnologico è necessario perché SEIS si trova da solo su Marte. Per contro, i sismometri sulla Terra solitamente fanno parte di una rete che di fatto migliora la precisione delle misurazioni. Tenendo conto di ciò, il sismometro ad alta sensibilità sul Pianeta Rosso è alloggiato in una camera stagna isolata termicamente che ha il compito di proteggerlo da fattori ambientali distruttivi.
