L’intero programma di ricerca, in termini di progettazione impiantistica, scelta dei componenti, realizzazione dell’impianto, collaudo e messa a punto, preparazione dell’esperimento a terra, esecuzione della campagna di volo parabolico, è caratterizzato da un elevatissimo livello di qualità. Come ulteriore difficoltà di progettazione, bisogna considerare la presenza di vincoli particolarmente stringenti in termini di peso massimo, volume massimo, altezza massima e posizione del baricentro dell’apparecchiatura sperimentale, oltre alla limitata disponibilità di potenza elettrica disponibile a bordo dell’aereo.
La progettazione dell’impianto sperimentale ha requisiti estremamente spinti ed è soggetta all’analisi del rischio secondo la tecnica Hazop (Hazard and Operability Study) two-faults tolerant (cioè in presenza di due situazioni incidentali possibili il sistema deve essere in sicurezza). L’analisi del rischio deve essere condotta da un soggetto esterno rispetto a chi esegue la progettazione dell’impianto. La massima sicurezza possibile deve essere garantita per raggiungere due obiettivi: a) sicurezza del volo; b) sicurezza del risultato sperimentale.
Sicurezza del volo – L’aereo che esegue il volo parabolico opera in condizioni estreme durante l’esecuzione della parabola, quasi in prossimità delle condizioni di stallo, ed ovviamente la probabilità di incidenti all’impianto che diano luogo a perdita di refrigerante o che possano mettere a repentaglio l’incolumità dei ricercatori/passeggeri e la sicurezza del volo deve essere ridotta ai minimi termini (secondo i criteri indicati sopra).
L’impianto deve resistere ad un’accelerazione di 9 g, essere progettato con la filosofia del doppio contenimento (oltre alla verifica del rischio sopra descritta), ed essere realizzato secondo criteri di sicurezza definiti dalla Novespace e dall’Esa che impongono soluzioni impiantistiche ed utilizzo di materiali di alta qualità, specifiche caratteristiche e certificazioni (es.: un serbatoio in pressione deve avere una data di collaudo inferiore a 5 anni). La filosofia del doppio contenimento consiste nel fare in modo che tutto il circuito che contiene il fluido di processo, inclusi i vari componenti (pompa, valvole, connettori, riscaldatori, scambiatori di calore, etc.), sia contenuto all’interno di un involucro (tubazione, cilindro, etc.) che contenga opportunamente eventuali perdite del fluido di processo a seguito di perdite, rotture etc. dal circuito primario.
Ovviamente il materiale e gli spessori dell’involucro del doppio contenimento saranno funzione della tipologia del fluido e delle sue condizioni termodinamiche più critiche (es. vapore ad alta temperatura e pressione). È evidente, che un involucro di contenimento in metallo non consente inevitabilmente la visualizzazione di quello che succede all’esterno del circuito primario, richiedendo l’utilizzo di sensori di pressione, temperatura o altro che possano fungere da rivelatori di malfunzionamenti, anche per indicare la zona dove questi siano successi per poter intervenire nei tempi più rapidi. Infatti, la tempistica dei voli parabolici in tre giorni (che impegna tutte le mattinate, mentre i pomeriggi sono dedicati all’analisi di quanto fatto nel volo parabolico ed alla pianificazione ed alla messa a punto finale delle prove sperimentali del giorno successivo) non consente tempi troppo lunghi per interventi di riparazione qualora si verificasse una perdita od una rottura nel circuito primario.
Sicurezza del risultato sperimentale – L’impegno economico sostenuto per la campagna di volo parabolico è rilevante; vuoto per pieno il costo di una campagna di volo parabolico per l’Esa è di circa un milione di lire, a cui vanno aggiunti i costi per la missione a Bordeuax (tipicamente 4-5 persone, oltre al trasporto dell’impianto sperimentale e delle attrezzature necessarie all’esperimento), nonché i costi della lunga attività di preparazione dell’esperimento a terra prima del volo parabolico. Considerando che il numero dei punti sperimentali eseguibili è come già detto molto limitato, potendo al massimo sperimentare 90 condizioni di prova diverse (un numero davvero irrisorio da eseguire in laboratorio), è del tutto evidente che ciascun punto sperimentale viene ad avere un costo particolarmente elevato. Inoltre, le opportunità di volo parabolico sono generalmente limitate a due campagne Esa l’anno, con una elevata domanda di presenza a bordo dell’Airbus A300.
Ne discende che la qualità dell’esperimento deve essere tale da garantire la massima sicurezza dello stesso. Per ottenere questi elevati livelli di qualità molteplici sono gli accorgimenti che devono essere messi in atto. Ad esempio, le prove sperimentali devono essere progettate con estrema cura, in modo da verificare che nelle poche decine di secondi o pochissimi minuti a disposizione tra una parabola e l’altra (vedere fig. 3) sia possibile effettuare la variazione del parametro che si intende aumentare o diminuire (es.: portata del fluido, flusso termico ceduto al fluido, pressione di esercizio) ed a seguire vengano raggiunte le condizioni di funzionamento stazionario dell’impianto prima dell’inizio della parabola successiva e quindi del periodo di circa 20 secondi di condizioni di microgravità. Inoltre, bisogna garantire che quello che ci si aspetta debba avvenire durante le condizioni di microgravità sia affidabile, prevedendo la durata di eventuali transitori che dovranno essere necessariamente più brevi dei 20 secondi a disposizione, ed evitando per quanto possibile l’insorgenza di fenomeni che possano rendere instabile l’impianto sperimentale rendendo inutilizzabili alcune parabole successive.
Ovviamente, la prevedibilità di cosa possa succedere durante le condizioni di microgravità è un parametro assai difficile da gestire (altrimenti non sarebbe necessario eseguire campagne sperimentali così costose). Occorre avere, pertanto, una conoscenza del comportamento dell’impianto sperimentale sotto le più diverse condizioni per poter eventualmente intervenire almeno nei tempi più ridotti per riportarlo in condizioni stabili e adatte ad una nuova prova per la parabola prossima. Questa conoscenza richiede una meticolosa sperimentazione preliminare a terra che deve essere lunga, ripetitiva e con piena comprensione di ogni fenomeno, ovvero con un altissimo livello di qualità nella preparazione.
La strumentazione presente sull’impianto deve essere all’avanguardia in termini di tecnologia, qualità e affidabilità, ridondanza, e l’automazione deve essere la massima possibile per ridurre al minimo necessario l’intervento, comunque non eliminabile, del ricercatore. Bisogna anche considerare che durante le ripetute condizioni di ipergravità (due volte in ogni parabola, prima e dopo delle condizioni di microgravità) l’organismo è soggetto a sollecitazioni che molto di frequente danno luogo a malesseri equivalenti al mal di mare. Pertanto, pur essendo il ricercatore soggetto ad adeguata terapia preventiva contro questo tipo di malessere, bisogna tenerne conto e, con l’automazione massima dell’impianto e la ridondanza di ricercatori in grado di operare con pena autonomia sull’impianto sperimentale, fare in modo di portare a termine il numero massimo di esperimenti.
