Oltre lo spazio: i tubi a onde viaggianti viaggiano lontano

I componenti elettronici progettati per la NASA vengono utilizzati nei sistemi satellitari spaziali e nelle applicazioni terrestri.

Un ingegnere lavora sull’antenna parabolica ad alto guadagno di una navicella spaziale Voyager. Un componente necessario per la trasmissione dei dati sulla navicella spaziale Voyager 2, il tubo a onde viaggianti, funziona ancora oltre 45 anni dopo. Credito immagine: NASA

Quarantacinque anni fa, il Veicolo spaziale Voyager 2 lanciato in missione per visitare i pianeti esterni. Una componente vitale dell’imbarcazione che funziona ancora è la chiave per ottenere dati mentre lascia il sistema solare.

Ma questo pezzo della navicella spaziale ormai interstellare, il tubo a onde viaggianti (TWT), è diventato anche un componente necessario per utilizzare le microonde in diverse applicazioni sulla Terra. Ad esempio, i veicoli spaziali radio satellitari utilizzano la potenza di amplificazione dei TWT e, grazie all’aiuto della NASA, gli ascoltatori hanno una copertura su tutto il Nord America e ricevono un audio dal suono migliore.

L’astronauta dell’Apollo 12 Charles Conrad esamina la telecamera della sonda lunare Surveyor 3. Per avere trasmissioni affidabili durante il programma Surveyor, la Hughes Corporation ha lavorato per miniaturizzare i tubi a onde viaggianti, che vengono utilizzati per aumentare la potenza dei segnali radio. Credito immagine: NASA

Ovunque vedi un trasmettitore radio a microonde specializzato, di solito c’è un tubo a onde viaggianti da qualche parte all’interno. I tubi a onde viaggianti furono inizialmente creati negli anni ’40 e furono determinanti per lo sviluppo di tecnologie come il radar.

Come il tubo a raggi catodici di un vecchio televisore, il tubo a onde progressive funziona grazie al movimento degli elettroni al suo interno: all’interno di un tubo a vuoto, un flusso di elettroni viene emesso da un’estremità del tubo, che provoca il movimento avanti e indietro tra gli elettrodi su entrambi i lati del tubo. Una spirale di filo avvolge il percorso del raggio e un segnale radio viene attraversato.

Il movimento degli elettroni si sincronizza con la radiofrequenza, amplificando il segnale. Le unità valvolari a onde viaggianti all-in-one che includono una fonte di alimentazione ottengono il soprannome aggiuntivo di “amplificatore”.

All’inizio degli anni ’60, Hughes Space and Communications Group ricevette contratti dal Jet Propulsion Laboratory della NASA a Pasadena per costruire veicoli spaziali per il programma Surveyor della NASA, che fece atterrare con successo cinque missioni robotiche sulla Luna prima che gli astronauti arrivassero durante l’Apollo.

Gli ingegneri elettronici della NASA Dale Force e Rainee Simons con un amplificatore a valvole a onde viaggianti L3 (ora Stellant) (TWTA). Oggi Stellant è l’unica azienda che produce TWTA con classificazione spaziale e ha diversi clienti del settore privato oltre alla NASA. Credito immagine: NASA

Per mantenere le comunicazioni a 238.000 miglia dalla Terra, i trasmettitori di questi lander necessitavano di enormi quantità di amplificazione, con il vincolo aggiuntivo di doverli adattare a un piccolo veicolo spaziale. Quando il Surveyor 1 atterrò il 2 giugno 1966, fu in grado di inviare segnali che trasportavano immagini televisive della superficie lunare sulla Terra, aprendo la strada agli astronauti per atterrare lì qualche anno dopo.

Nel corso degli anni ’70 e ’80, Hughes ha fornito i tubi a onde viaggianti per ogni missione nello spazio profondo, lavorando secondo i rigorosi standard stabiliti dalla NASA, inclusi i due veicoli spaziali Voyager, nonché le missioni Galileo e Cassini rispettivamente su Giove e Saturno.

Questo lavoro ha spinto ulteriormente le capacità del tubo. Grazie alla necessità della NASA di modi migliori per trasmettere dati, i moderni tubi a onde viaggianti sono più piccoli e in grado di amplificare i segnali in una gamma più ampia di frequenze, come la banda Ka che i telescopi spaziali utilizzano per inviare immagini ad alta risoluzione di stelle distanti e galassie.

“Se non fosse stato per la NASA, la tecnologia non sarebbe neanche lontanamente paragonabile a quanto è avanzata oggi”, ha affermato Nick Gritti, vicepresidente esecutivo per la strategia e lo sviluppo aziendale presso Stellant Systems di Torrance, California, una società successore di Hughes.

In un mondo a stato solido, i tubi a vuoto resistono

Potrebbe sembrare strano che un componente maggiormente associato all’estetica retrò sia ancora rilevante nella tecnologia moderna, ma ci sono diversi motivi per cui il venerabile tubo è migliore delle alternative.

“Questo è l’ultimo campo in cui prosperano i tubi a vuoto”, ha affermato Wayne Harvey, un ingegnere del JPL che ha lavorato su numerose missioni spaziali.

Proprio come alcuni amplificatori audio di alta qualità utilizzano ancora tubi a vuoto, gli amplificatori a microonde realizzati con tubi possono avere prestazioni molto migliori rispetto ad altri metodi di rafforzamento del segnale sviluppati con l’elettronica a stato solido più convenzionale.

“L’elettronica a stato solido non riesce a tenere il passo nelle gamme di cui abbiamo bisogno”, ha affermato Rainee Simons, un ingegnere elettronico a microonde specializzato in tubi a onde viaggianti presso il Glenn Research Center della NASA a Cleveland. “Il TWTA ha un’efficienza molto più elevata alle stesse frequenze.”

Continua a viaggiare

Dopo la separazione dalla più grande Hughes Aircraft Company, Hughes Microwave Tubes ha continuato a produrre questi componenti specializzati.

Dagli anni ’90 all’inizio degli anni 2000, la società è esistita come parte di Boeing prima di essere venduta a L3 Corporation, dove la società è stata combinata con un altro produttore di elettronica per vuoto nel portafoglio dell’azienda, Litton Electron Devices. Nel 2021, la società si è separata dal conglomerato L3Harris ed è diventata Stellant Systems, operando ancora nella stessa struttura di Hughes negli anni ’60.

“Mi piace paragonarci all’isola di Sicilia”, ha detto Gritti. “Siamo l’azienda più conquistata al mondo.”

Oggi, Stellant Systems è l’unica azienda negli Stati Uniti che produce amplificatori a tubi a onde viaggianti con classificazione spaziale. Oltre ad essere presenti nei veicoli spaziali della NASA come il Lunar Reconnaissance Orbiter e il Kepler Space Telescope, gli amplificatori Stellant sono utilizzati anche nei satelliti di osservazione della Terra della National Oceanic and Atmospheric Administration e in applicazioni militari come i radar di bordo per gli aerei.

Rispetto agli enormi TWT utilizzati in applicazioni a terra come il radar meteorologico Doppler, i TWT spaziali sono in miniatura ma comunque abbastanza potenti da amplificare i segnali abbastanza da trasmettere enormi quantità di dati dall’orbita.

Anche le operazioni finanziate privatamente stanno beneficiando dell’esperienza decennale di Stellant nella miniaturizzazione dei tubi a onde viaggianti. Alla fine del 2021, Stellant ha venduto tubi a onde viaggianti a SiriusXM per la sua prossima generazione di veicoli spaziali radio satellitari. E le macchine che forniscono la chirurgia oculare Lasik utilizzano questi tubi per garantire che i loro raggi siano adeguatamente amplificati.

“Penso che per i TWTA sia una sorta di processo leapfrog”, ha detto Harvey. “A volte approfittiamo degli sviluppi nel mondo commerciale, a volte questi tornano alle missioni della NASA. C’è una sinergia lì.”

Nel 2020, l’amplificatore a valvole a onde viaggianti è stato aggiunto alla Space Technology Hall of Fame della Space Foundation. E a partire dal 2022, il TWT sulla Voyager 2 è ancora in fase di collegamento, trasmettendo dati mentre continua a compiere il viaggio attraverso lo spazio interstellare.

“Nessuno può spiegare perché il Voyager TWT funzioni ancora”, ha detto Harvey. “Questa tecnologia avrà vita per un po’ di tempo.”

Fonte: NASA