Lo strumento di punta nel satellite San Marco è la cosiddetta «bilancia Broglio», un dispositivo concepito per rilevare con estrema precisione la densità e la temperatura molecolare dell’alta atmosfera.
Come illustrato dallo stesso Luigi Broglio, “il satellite è composto da un guscio esterno molto sottile e da un corpo interno rigido e massiccio. Le molecole d’aria, urtando la parte esterna, ne provocano l’oscillazione rispetto all’interno: un delicato strumento misura questi spostamenti, dell’ordine di qualche millesimo di millimetro. In questo modo si risale alla densità delle molecole protagoniste dell’urto”.
La “bilancia Broglio” era già stata impiegata sui primi quattro satelliti della serie, ma è stata successivamente perfezionata per i voli successivi.
A supporto vi sono altri esperimenti complementari. Uno, a cura della NASA, e nella durata prevista del satellite, misurerà il campo elettrico tramite quattro antenne a filo e due rigide.
Un altro esperimento, dell’Università del Texas, intende misurare la velocità degli atomi ionizzati nella fascia più alta della ionosfera. Contemporaneamente un intervento dell’Università del Michigan si concentra sugli atomi neutri.
Un ulteriore strumento, progettato dall’Università di Friburgo (Germania Federale), focalizza l’attenzione sull’intensità delle radiazioni solari, dall’ultravioletto alla luce visibile. Anche i pannelli solari del satellite fungono da esperimento: sono presenti moduli all’arseniuro di gallio, la cui efficienza sarà confrontata con quella dei tradizionali pannelli in silicio.
L’obiettivo complessivo delle ricerche a bordo del satellite della serie San Marco 1 è una migliore comprensione dei meccanismi che agiscono nell’alta atmosfera — quella zona dove la coltre gassosa terrestre si sfuma nello spazio interplanetario — e in particolare dell’interazione tra i rari gas atmosferici e il cosiddetto «vento solare» (flusso di particelle atomiche: elettroni, protoni, nuclei) che il Sole invia nello spazio ad alta velocità — circa 500 km/s.
Si ritiene che tale interazione, ancora poco nota nei dettagli, possa avere un ruolo significativo nelle variazioni climatiche a lungo termine. Ad esempio, fra il 1500 e il 1750 si registrò un raffreddamento mondiale che coincideva con un marcato calo delle macchie solari, normalmente soggette a un ciclo di undici anni: potrebbe esserci un legame? Una delle domande a cui questo satellite è chiamato a dare risposta.
Spiegazione dettagliata
L’obiettivo era misurare direttamente la densità neutra dell’atmosfera terrestre in orbite basse (ad esempio ~200-300 km) e la variazione della densità in funzione di altitudine, latitudine, tempo, condizioni solari, ecc.
Poiché in orbita la forza aerodinamica di resistenza (drag) dipende dalla densità dell’atmosfera, dalla velocità relativa e dalla sezione e forma del satellite, misurando la forza di drag si ottiene indirettamente la densità.
Principio di funzionamento
Il satellite (o parte di esso) includeva un involucro esterno e una massa interna, collegati tramite una struttura elastica (molle o fremiti calibrati) in modo che la forza di drag si traducesse in una deformazione o spostamento relativo tra le masse.
In particolare, Broglio ideò una bilancia “interna” con tre molle ortogonali (assiali: x, y, z) che misuravano forza lungo tre direzioni. Questo permetteva di misurare la “forza d’aria” agente sul guscio del satellite.
In asse con la velocità orbitale la forza di drag era minima per un satellite ben stabilizzato e con forma sferica o simmetrica, ma l’effetto periferico e le variazioni della densità permettevano la misurazione.
Bilanciere di Luigi Broglio
Caratteristiche del satellite e dell’esperimento
Il satellite era sferico (o quasi) per avere una sezione costante rispetto alla velocità orbitale, semplificando il calcolo della resistenza aerodinamica.
L’orbita era scelta (ad esempio per San Marco 2 un perigeo ~218 km e apogeo ~748 km) proprio per coprire un intervallo di densità atmosferica variabile.
Al momento della massima apogeo, la densità doveva essere molto piccola e la forza di drag quasi nulla → questo serviva come punto di calibrazione: all’apogeo la bilancia doveva indicare quasi zero forza.
