A sinistra: il campo magnetico di Giove fornisce informazioni sulla sua composizione interna, struttura, dinamica e sulla sua storia evolutiva. A destra: immagine del primo prototipo di sensore magnetometrico a stato solido 4H-SiC (2 mm per 2 mm) sviluppato da NASA-GRC. Credits: NASA/JPL
Un team di ricercatori del JPL della NASA, in collaborazione con il Glenn Research Center dell’Agenzia a Cleveland, sta sviluppando una nuova tecnologia per misurare i campi magnetici nello spazio. Si tratta del magnetometro SiCMag (Silicon Carbide Magnetometer), che utilizza un sensore a stato solido realizzato in carburo di silicio (SiC), un semiconduttore dalle proprietà molto interessanti.
All’interno del sensore SiC sono presenti dei centri quantici, difetti o irregolarità intenzionalmente introdotti su scala atomica, che generano un segnale di magnetoresistenza rilevabile monitorando le variazioni della corrente elettrica del sensore. Queste variazioni, di conseguenza, sono indicatori dei cambiamenti nella forza e nella direzione del campo magnetico esterno.
Questa tecnologia all’avanguardia, basata su sensori moto piccoli e quindi facilmente incorporabili in un veicolo spaziale, potrebbe rivoluzionare la magnetometria spaziale, aprendo nuove possibilità per missioni su piccola scala, come i CubeSat.
SiCMag offre numerosi vantaggi rispetto ai tradizionali magnetometri a induzione, i fluxgate, ampiamente utilizzati nelle missioni spaziali. Le dimensioni, il peso e la potenza convenzionali (SWaP) degli strumenti fluxgate possono impedirne l’uso su piccole piattaforme, come i CubeSat, e limitare il numero di sensori che possono essere utilizzati su un veicolo spaziale.
SiCMag ha invece dimensioni estremamente ridotte: l’area del sensore è di soli 0.1 x 0.1 millimetri. Ciò consentirebbe di integrare facilmente decine di sensori su un singolo veicolo spaziale, migliorando notevolmente la rimozione del campo magnetico di disturbo generato dal veicolo stesso.
Inoltre, grazie alle proprietà del carburo di silicio, il SiCMag può operare in un’ampia gamma di temperature estreme e in ambienti ad alta radiazione tipici dello spazio profondo.
Un altro aspetto particolarmente promettente del SiCMag è la sua capacità di misurare campi magnetici estremamente deboli, fino al “zero-field”. Questa caratteristica, unita alla robustezza del sensore, lo rende ideale per missioni di lunga durata verso i giganti ghiacciati o i confini dell’eliosfera. Il team di ricerca sta lavorando per migliorare ulteriormente la sensibilità del dispositivo utilizzando materiali isotopicamente più puri, il che potrebbe portare a un salto qualitativo nelle prestazioni.
Le potenziali applicazioni del SiCMag sono molteplici. Di seguito alcune delle principali:
Parallelamente al SiCMag, il team sta sviluppando una tecnologia complementare chiamata OPuS-MAGNM (Optically Pumped Solid state quantum MAGNetoMeter), un magnetometro quantistico a stato solido “pompato otticamente”. Sebbene più complesso, questo dispositivo promette caratteristiche di rumore ancora inferiori.
OPuS-MAGNM è l’equivalente ottico di SiCMag. L’espressione “pompato otticamente” significa che il sistema quantistico viene pompato con luce laser verde (diamante) o rosso scuro (carburo di silicio) e la risposta del sistema viene letta con un rilevatore di luce. Andreas Gottscholl, del gruppo di magnetometria allo stato solido del JPL, ha affermato:
SiCMag e OPuS-MAGNM sono molto simili, in realtà. I progressi in un sistema di sensori si traducono direttamente in vantaggi per l’altro. Pertanto, i miglioramenti nella progettazione e nell’elettronica fanno progredire entrambi i progetti, raddoppiando di fatto l’impatto dei nostri sforzi mentre siamo ancora flessibili per diverse applicazioni.
La ricerca sul SiCMag viene presentata annualmente alla International Conference on Silicon Carbide and Related Materials (ICSCRM), dimostrando il crescente interesse della comunità scientifica per questa tecnologia innovativa. Con il continuo sviluppo e perfezionamento, il SiCMag potrebbe presto diventare uno strumento chiave per le future missioni di esplorazione spaziale, aprendo nuove frontiere nella comprensione dei campi magnetici del nostro Sistema Solare e oltre.
La ricerca è finanziata dal programma PICASSO (Planetary Instrument Concepts for the Advancement of Solar System Observations) della NASA dal 2016. Coinvolge anche numerosi partner nazionali e internazionali, del mondo accademico e industriale.
