MICROGRAVITÀ

MICROGRAVITÀ

Per un corpo orbitante intorno alla Terra la gravità apparente risulta dalla differenza tra forza d'attrazione (rivolta verso la Terra) e forza centrifuga (rivolta verso l'esterno). Se si considera per semplicità l'orbita circolare, per un punto materiale la differenza tra le due forze è zero come se il peso non fosse sentito. Per un corpo di dimensioni finite, la gravità è zero solo nel centro di massa; negli altri punti la gravità apparente non è zero, ma piccolissima, dell'ordine di grandezza del rapporto tra le dimensioni trasversali del corpo e il raggio terrestre. Si parla quindi di microgravità.

Traduciamo ora in formule le considerazioni precedenti. Nel caso del punto materiale che si trova su un'orbita circolare di raggio R, detta ὗ la velocità angolare, g(R) l'accelerazione di gravità alla distanza R dal centro della Terra, l'equazione di equilibrio dinamico si riduce alla sua componente radiale:

ω²R=γ(R). [1]

Nel caso puramente newtoniano, valido con grande approssimazione per il caso che stiamo considerando, per un punto a distanza R′zR, si ha g(R′)=g(R)(R/R′)². Indicando con R′ una quota di riferimento fissa e costante l'equazione

ω²=g(R′)R′²/R³u[ω(R)]² [2]

fissa la relazione tra periodo orbitale e quota R, quando sia assegnata la distanza di riferimento R′(R′u6371,8 km) e la corrispondente gravità g(R′)=9,8031 ms⁻².

Il discorso cambia se si considera un corpo di dimensioni finite, per es. un'asta disposta verticalmente. Infatti, se per un punto P vale la [1], per un punto a distanza z da P si ha g(R+z)=g(R)/(1+ζ)², con ζ=z/R, e una forza centrifuga ω²R(1+ζ). Si avrà quindi una gravità apparente:

Ci limitiamo a considerare il caso, peraltro assai generale, in cui ζ≪1 (si tratta di un rapporto che è dell'ordine dimensioni dell'asta/raggio terrestre), per cui si ha con ottima approssimazione

g*≅g(R)[1−2ζ−1−ζ]=−3ζg(R). [4]

Quindi la gravità apparente, che è poi quella che l'elemento sente, è ridotta rispetto ai valori assoluti, di un fattore dell'ordine 3ζ, quindi assai piccolo. Per es., per un satellite avente dimensioni dell'ordine di centinaia di metri, si hanno, nei punti estremi, gravità apparenti, o m., dell'ordine di 10⁻⁵g.

Se si considera ora, al posto dell'asta, una colonna di fluido a densità ϱ, i cui estremi (superfici libere) distano di z²₁ dal centro, dall'equazione di equilibrio ∂p=−ϱ si ottiene:

Come si vede, quindi, viene a mancare la distribuzione idrostatica lineare della pressione, sostituita da una legge parabolica, e si hanno valori assai bassi (praticamente nulli) della pressione stessa.

Naturalmente le considerazioni precedenti, condotte come sono su un modello estremamente semplificato, vanno ritenute puramente orientative. Resta peraltro sempre vero che la m. nasce dalla presenza simultanea della gravità e della forza centrifuga derivante dal moto orbitale: queste due forze tendono a compensarsi, ma si compensano esattamente soltanto in un punto. Negli altri punti si hanno forze residue assai piccole, che provocano peraltro moti relativi delle particelle del sistema e, nel caso dei solidi, moti associati alla deformabilità. Ma il caso più perspicuo è quello dei liquidi, in cui si modificano profondamente alcuni fenomeni che avvengono sulla superficie terrestre:

a) a causa della pratica assenza di pressione idrostatica, in m. viene quasi completamente a mancare la spinta di Archimede, che è collegata alla pressione idrostatica a legge lineare. E viene anche a mancare la galleggiabilità, che è quella responsabile della separazione di liquidi non miscibili;

b) una conseguenza immediata è l'assenza di apprezzabili fenomeni di sedimentazione. Questo è un fenomeno comune, per es. in oceanografia, per cui gli strati d'acqua più caldi, dotati di minore peso specifico, si dispongono alla superficie, conservando un piccolo numero di particelle in sospensione, mentre le particelle più pesanti tendono ad andare a fondo. Per questi motivi, in m. è facile ottenere sospensioni plurifasi stabili;

c) sulla Terra il processo di convezione provoca differenze di densità in un liquido omogeneo, attraverso un complicato meccanismo e un giuoco di processi di espansione termica e di differenze di temperatura. È l'interferenza con il campo gravitazionale che genera le forze idrostatiche che rimescolano il liquido. Il fenomeno, com'è evidente, è profondamente modificato in m. (v. oltre).

Lo studio della dinamica e della statica dei fluidi in m. si presenta assai complicato e fortemente nonlineare (v. anche fluidodinamica: Fluidodinamica in condizioni di microgravità, in questa Appendice). Le equazioni da scrivere sono quelle solite della fluidodinamica (equazioni di equilibrio, nelle quali, ovviamente, debbono trovare posto le forze d'inerzia associate al moto orbitale), del trasporto di massa e di calore, della capillarità, in cui interviene la tensione superficiale, necessaria per determinare la forma della superficie libera. Spesso per grandi valori del flusso liquido le soluzioni sono difficilmente riproducibili. L'unica analisi possibile è allora quella di tipo adimensionale, che consiste nel definire opportunamente i parametri che appaiono nelle equazioni, allo scopo di determinare e dedurre informazioni qualitative.

Tra i più importanti fenomeni che presentano i liquidi in condizioni di m., vi è la formazione di ponti liquidi, per cui tra due dischi coassiali si forma una colonna liquida (fig. 1). L'effetto è prevedibile anche teoricamente e ha speciale interesse per la formazione e la crescita dei cristalli. È possibile poi dimostrare che, in condizioni ideali, la configurazione risulta stabile se è verificata la condizione

L〈2πR [6]

in cui L è la distanza dei dischi, R il loro raggio.

Le condizioni di stabilità vengono modificate dalla presenza di perturbazioni. È possibile determinare i valori critici dei parametri adimensionali in gioco, e determinare il modo d'instabilità. Si hanno sostanzialmente tre modi possibili:

a) instabilità ad anfora, in cui la linea meridiana della colonna assume un aspetto rigonfio in una zona, e ristretto in un'altra;

b) instabilità simmetrica, in cui la colonna si allarga vicino ai dischi e si restringe al centro;

c) modo a skipping rope, con deformazione non simmetrica, che si presenta per fluidi in rotazione.

Assai importante è anche il comportamento dinamico dei ponti liquidi. L'analisi teorica conduce alla determinazione delle frequenze proprie, dei modi di vibrazione, degli smorzamenti propri del sistema; questi parametri sono funzioni del rapporto L/2πR e del numero di Ohnesorge Oh=ϱν²/σR, in cui ϱ è la densità, ν la viscosità cinematica, σ la tensione superficiale, R il raggio dei dischi (fig. 2). Va osservato, comunque, che molti dei fenomeni descritti hanno trovato conferma a bordo di missioni spaziali già effettuate.

Assai importante è anche il cosiddetto ''effetto Marangoni''. Applicando ai due dischi coassiali una differenza di temperatura, si stabilisce una convezione fra i due dischi che, per assenza di spinte idrostatiche, è del tipo naturale, ossia legata solo alle differenze di temperatura. Il fenomeno è governato dal numero di Marangoni: Ma=LΔσ/ηk, dove Δσ è la differenza di tensione superficiale tra i due dischi (che è associata alla differenza di temperatura, e agisce da forzante), mentre k è la viscosità dinamica, ed η è la diffusività termica. Queste ultime grandezze tendono a ridurre il flusso: k per effetto delle forze viscose, η perché tende a rendere la temperatura uniforme.

Aspetti applicativi. - Com'è noto, fin dagli anni Settanta ci si era posto il problema di commercializzare lo spazio, ossia di renderlo autosufficiente, cercando di ottenere dall'attività spaziale ritorni tali da compensare, o almeno da giustificare, gli imponenti investimenti necessari. Nacquero così i satelliti meteorologici, i satelliti per telecomunicazioni, in generale i satelliti di utilità immediata, contrapposti a quelli scientifici. Molte di queste aspettative si sono realizzate solo parzialmente; la m. potrebbe in futuro avere un ruolo di ricommercializzazione e di industrializzazione molto importante.

Tra le applicazioni più importanti citiamo anzitutto la formazione e la crescita dei cristalli. L'uso dei grandi cristalli è oggi estremamente diffuso: basta pensare all'elettronica e alla tecnica dei superconduttori, alla biotecnologia, all'ingegneria genetica. Alcune parti di macchine sono composte, in realizzazioni avanzate, da monocristalli. Il metodo industriale oggi usato consiste nel disporre cristalli ''seme'' in una corrente gassosa o liquida, avente la stessa composizione chimica del cristallo, favorendone così la crescita. I processi di convezione che tendono a screpolare superficialmente i cristalli, ritardano o addirittura impediscono la loro formazione. Gli effetti ridotti della convezione, già descritti, risulteranno estremamente benefici da questo punto di vista.

Un altro tipo di produzione industriale su cui si fa grande affidamento, è costituito dall'elettroforesi. Questo processo consiste nell'applicazione di un campo elettrico a molecole organiche e particelle in una sospensione liquida, ed è largamente usato nell'analisi e nella purificazione di certi speciali enzimi. Sulla Terra, la convezione disturba il campo elettrico e, ancora una volta, gli effetti di m. sulla convezione possono facilitare la produzione. Anche la cromatografia e l'ultracentrifugazione, usate nell'elettroforesi, sono influenzate dalla m., ma a un livello minore.

Il terzo tipo di produzione industriale che può rivelarsi particolarmente favorito dall'ambiente spaziale è la miscibilità dei metalli e la produzione di leghe estremamente pure. In m. si evitano infatti i processi di sedimentazione che a Terra impediscono la creazione di leghe composte di metalli di diversa densità, che sono non miscibili. Inoltre, la produzione di leghe a terra impone l'uso di contenitori che, reagendo con la lega, ne compromettono la purezza; in m. i materiali levitano nello spazio e possono venire stabilizzati da un sistema di forze elettrostatiche.

Dal punto di vista pratico, peraltro, il futuro di questa attività si presenta estremamente incerto, in quanto le grandi spese di trasporto in orbita e viceversa finiscono per rendere il processo assai antieconomico.

Comunque, indipendentemente dai possibili ritorni economici, la ricerca scientifica in m. si presenta come un'esigenza fondamentale per la ricerca di base. Per la costruzione e l'abitabilità delle future stazioni spaziali, che richiederanno lunghe permanenze in orbita, è necessario conoscere le reazioni dell'organismo umano. Alcune sono già note a sufficienza, come la decalcificazione ossea e alterazioni della circolazione sanguigna, almeno a livello di effetti, se non certo a livello di cause.

Tra le attività sperimentali più importanti nel settore della m. va ricordata quella del Columbus, i cui dati orbitali sono: altezza orbitale 296 km, inclinazione orbitale 28,5°, velocità orbitale 7,73 km/s. L'equipaggio è costituito dal comandante, dal pilota, da tre specialisti di volo americani, e da due astronauti-scienziati dell'agenzia spaziale tedesca (DLR). Il carico pagante della missione è di poco più di 6000 kg, ed è destinato a ricerche e osservazioni nel settore della scienza dei materiali, oltre che a ricerche riguardanti l'organismo umano. Sono pure previste rilevazioni di vario genere (fisica terrestre, automazione e robotica, fisica del plasma), estranee al settore della microgravità.

Bibl.: D. Langbein, Fluid status and dynamics in microgravity, in Microgravity news from ESA, novembre 1990; D.J. Hurle, Gravity delated phenomena in materials science, in Space technology, marzo 1993; Tuschi et al., Influence of microgravity on immune system and genetic information, ibid.