WP-1420.1 – LETO (Lunar Earth Temperature Observatory) -MERIDIAN (Moon EaRth leto vIsibility and raDIative trANsfer)
Panoramica
LETO (Lunar Earth Temperature Observatory) è un sistema di osservazione terrestre sviluppato da CNR-INO all’interno dell’infrastruttura EMM. Comprende due strumenti: uno spettroradiometro a trasformata di Fourier (LETO-FTS) e un imager (LETO-IMG), progettati per monitorare in continuo la temperatura di brillantezza e il flusso di radiazione a onde lunghe dell’intero disco terrestre visto dalla superficie lunare.
Specifiche strumentali
LETO-FTS opera nell’intervallo spettrale ~100–1600 cm⁻¹ (6–100 μm), con risoluzione spettrale migliore di 0,5 cm⁻¹ e risoluzione temporale di pochi minuti. LETO-IMG identifica anomalie termiche — come incendi estesi o eruzioni vulcaniche — che potrebbero alterare la temperatura media misurata dallo spettrometro. Entrambi gli strumenti sono concettualmente affini ai sensori sviluppati per la missione ESA Earth Explorer 9 FORUM (sito della missione FORUM).
Visibilità della Terra dal sito lunare — Simulatore orbitale
Quadro teorico
La frazione del disco terrestre visibile da un punto sulla superficie lunare dipende dalla dinamica dei tre corpi Sole–Terra–Luna. Uno studio teorico di questa geometria orbitale ha portato allo sviluppo di un simulatore dedicato, che consente di valutare sistematicamente come le coordinate del sito di atterraggio sulla Luna influenzino la percentuale di disco terrestre visibile — e di conseguenza il ritorno scientifico di LETO.
MERIDIAN è lo strumento software che implementa questa simulazione, sviluppato internamente presso CNR-INO (Firenze). Integra le librerie SPICE (NAIF/JPL) per le effemeridi celesti di precisione, calcolando elevazione e azimuth della Terra in un riferimento topocentrico e incorporando l’orografia lunare tramite i dati altimetrici dello strumento LOLA a bordo di LRO (NASA, 2009).
Trasferimento radiativo
Il modello diretto di trasferimento radiativo utilizzato in MERIDIAN è sigma-FORUM, un modello veloce parametrizzato (Masiello et al., Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 312, 2024, 108814) in grado di simulare l’intero spettro atmosferico tra 10 e 2760 cm⁻¹. Per ogni pixel nella griglia di visibilità, i parametri atmosferici e superficiali vengono estratti dai database ERA5 e Huang 2016. sigma-FORUM calcola la radianza spettrale per ogni pixel lungo la linea di vista dal sito lunare, utilizzando l’angolo zenitale rispetto alla normale uscente dalla superficie. La radianza di ogni pixel, pesata con il coseno dell’angolo zenitale, viene quindi integrata sull’intero disco visibile.
LETO-FTS — Prototipo / Engineering Model
Descrizione
LETO-FTS è uno spettrometro a trasformata di Fourier per la misura del flusso spettrale medio e lontano infrarosso emesso dall’intero disco terrestre visibile da una futura base lunare. L’Engineering Model è stato progettato e realizzato da Pecchioli Research Srl con TRL 4. Le applicazioni previste comprendono il monitoraggio continuo del flusso spettrale uscente dell’intero disco terrestre, la misura della temperatura di brillantezza in diverse finestre spettrali dell’infrarosso e l’analisi dei trend climatici a lungo termine. Il controllo remoto è fornito tramite interfaccia LabVIEW.
Specifiche principali
- Intervallo spettrale: 6–100 μm (100–1600 cm⁻¹)
- Risoluzione spettrale: > 0,5 cm⁻¹
- Alta stabilità termica; risoluzione temporale di pochi minuti
- Controllo remoto via interfaccia LabVIEW
- Unità di calibrazione ad alta accuratezza integrata
Componenti ottici principali
- Specchio di piegamento (ingresso segnale)
- Divisore di fascio
- Specchio rotante (selettore di scena)
- Specchio fisso
- Sorgente a corpo nero
- interno
- Rivelatori
- Specchio traslante
- Corpi neri
Unità di calibrazione ad alta accuratezza
L’unità di calibrazione comprende due sorgenti a corpo nero con emissività > 0,999 nell’intervallo 6–100 μm, garantendo un’accuratezza assoluta di temperatura di 0,1 K riferibile agli standard internazionali SI. La tracciabilità è assicurata tramite una cella al punto fisso del Gallio sviluppata da INRiM – Termodinamica Fisica, alloggiata nella sezione centrale di ciascuna unità a corpo nero per consentire la ricalibrazione in situ dei termometri principali. L’intera catena di calibrazione è riferita alla Scala Internazionale della Temperatura (STI-90), garantendo accuratezza, stabilità e riproducibilità nelle condizioni operative sul campo.
MERIDIAN — Moon EaRth leto vIsibility and raDIative trANsfer
MERIDIAN è uno strumento web per la simulazione integrata della visibilità lunare e del trasferimento radiativo dal disco terrestre verso il sito di osservazione di LETO nella banda IR di interesse, reso disponibile alla comunità di ricerca di EMM tramite un’interfaccia dedicata. Sviluppato presso CNR-INO (Firenze), implementa le funzioni SPICE (NAIF/JPL) in linguaggio C in ambiente MATLAB, ed esegue calcoli di visibilità basati su ray tracing su una griglia che avvolge l’atmosfera terrestre, valutando la visibilità sia totale che parziale del disco. Per ogni settore visibile, sigma-FORUM calcola la radianza spettrale tenendo conto dell’angolo di vista, del tipo di superficie e dello scattering multiplo da nubi (fasi ghiaccio e liquido). I parametri atmosferici e superficiali di input provengono da ERA5 (ECMWF), CMIP6 e dal database Huang et al. (2016) per l’emissività spettrale del suolo fino al lontano infrarosso. Il risultato finale è un’integrazione angolare pesata per la radianza sul disco visibile; MERIDIAN supporta inoltre la costruzione e la distribuzione di database di radianze per la comunità scientifica.
WP-1420.2 – Laboratorio sulle onde millimetriche e sub-THz per l'osservazione della Terra e le scienze spaziali (MaTEO)
Il modulo infrastrutturale EMM “Laboratorio sulle onde millimetriche e sub-THz per l’osservazione della Terra e le scienze spaziali (MaTEO)”, istituito presso il CNR-IEIIT (https://www.ieiit.cnr.it/), si inserisce nel contesto dei programmi europei e internazionali dedicati all’osservazione della Terra e alle scienze spaziali dalle basi lunari, nonché alle future missioni di esplorazione planetaria. Recenti missioni internazionali prevedono già l’uso di sensori radiometrici operanti sulla Luna nella banda delle onde millimetriche e sub-THz (90–900 GHz). In questo contesto, la componente MaTEO dell’infrastruttura di ricerca EMM comprende cinque unità funzionali principali che formano una pipeline completa per le attività di ricerca e sviluppo sulle tecnologie sub-THz, sugli strumenti a terra e sui carichi utili satellitari.
Unità di modellazione e progettazione elettromagnetica
Il laboratorio EMM-MaTEO è dotato di software scientifici per la simulazione e la progettazione rapide e accurate di dispositivi ad alta frequenza, tra cui antenne, componenti a guida d’onda e planari, oggetti di grande dimensione dal punto di vista elettromagnetico e superfici quasi-periodiche. Ulteriori funzionalità comprendono la progettazione e l’analisi di applicazioni statiche e a bassa frequenza, circuiti stampati e contenitori elettronici, analisi multifisica termica e meccanica, nonché l’analisi delle rotture RF. I solutori di simulazione che operano sia nel dominio del tempo che in quello della frequenza girano su workstation ad alte prestazioni con accelerazione GPU.
Unità produttiva
Per le attività di ricerca sui dispositivi passivi a onde submillimetriche sono disponibili due processi di fabbricazione.
Il primo è la microlavorazione del silicio su wafer (fino a 100 mm) tramite incisione ionica reattiva profonda (S-DRIE) basata sul processo Bosch. Il sistema S-DRIE è dotato di una camera di reazione, di un elettrodo a temperatura controllata e di un sistema di scarico ad alta portata, che consentono una produzione stabile e su larga scala di componenti ad alto rapporto di aspetto con precisione micrometrica.
Il secondo è il processo di elaborazione digitale della luce (DLP) per ceramiche (ad es. allumina, zirconia) e metalli (ad es. rame, acciai), basato su un sistema a nastro in cui una sospensione ceramica viscosa viene stesa su un nastro trasportatore che scorre attraverso l’area di stampa. Questo processo garantisce una stesura uniforme di ogni strato, consentendo di ottenere pezzi ad alta risoluzione con geometrie complesse e superfici lisce. Tutti i parametri di processo possono essere personalizzati per le attività di ricerca sui materiali. Questo percorso è gestito in collaborazione con il CNR-STIIMA.
Unità di prova dimensionale
Il laboratorio EMM-MaTEO mette a disposizione due strumenti per il controllo dimensionale dei componenti RF.
Il primo è un sistema combinato CNC/visione artificiale per misurazioni dimensionali accurate di parti complesse, integrato da un software di analisi del profilo 2D che consente una verifica immediata del progetto.
Il secondo è uno strumento interferometrico a luce bianca per l’analisi senza contatto e ad alta precisione della forma delle superfici, che comprende la misurazione della forma in 3D e la misurazione della rugosità a livello nanometrico.
Unità termica di test
Le prestazioni RF in funzione della temperatura vengono testate su componenti e sottosistemi con dimensioni fino a 60 × 54 × 63 cm³ in una camera climatica con un intervallo di temperatura compreso tra -70 °C e +180 °C. La camera è dotata di pareti passanti per l’accesso dei cavi RF e di sensori di monitoraggio della temperatura installabili sui dispositivi in prova.
Funzionalità: cicli termici, prestazioni RF in funzione della temperatura, esposizione ai raggi UV. Capacità utile: 206 l (601 × 541 × 634 mm). Potenza nominale: 7 kW. Intervallo di temperatura: (-70, +180) °C. Fluttuazione termica: ≤ 0,3 K. Velocità di variazione della temperatura: riscaldamento 4 °C/min, raffreddamento 3 °C/min.
Unità di test a radiofrequenza
I coefficienti di dispersione e i diagrammi di radiazione dei componenti e dei sottosistemi RF vengono misurati utilizzando analizzatori di rete vettoriali (VNA) a due e quattro porte ad alte prestazioni, con frequenza operativa fino a 67 GHz. La gamma di frequenza di misurazione viene estesa fino a 750 GHz collegando i VNA a estensori Rx/Tx a guida d’onda. Sono disponibili accessori coassiali e a guida d’onda — tra cui adattatori, giunti a spirale, curve, antenne a tromba standard, carichi adattati e LNA — per configurazioni di misurazione da pochi GHz fino a 750 GHz.
Il laboratorio EMM-MaTEO è inoltre dotato di un analizzatore di segnali e spettro ad alte prestazioni caratterizzato da basso rumore di fase e ampia larghezza di banda di analisi (2 GHz), per la caratterizzazione di componenti a banda larga e sistemi di comunicazione basati su segnali modulati o a frequenza agile.
