Solar radiation alert system on Mars: optimal orbits for a swarm of early-warning cubesasts

With the approaching of the first Mars settlement, it is important to assess the risks that astronauts will face on the Red Planet and provide them with an effective alert system. For example, an alert system should warn them in the case of a sudden increase in rate of SEPs, Solar Energetic Particles, high energy particles originated by solar flares and coronal mass ejections along the solar cicle. This kind of event is rare, but potentially mortal for humans on Mars surface. For this reason, detecting SEPs should be done as quickly and as effectively as possible, so that astronauts can take shelter as soon as possible and mitigate the effects of these heavy fluxes of ionizing radiation. One way to create this alert system is to use CubeSats, nanosatellites known for their high performance and low cost. This work uses Gmat, a simulator developed by Nasa, to design a Solar Radiation Alert System deploying a CubeSats constellation in order to have always at least one satellite between Mars and the Sun. There are some big difficulties in doing that, because Mars mass density is inhomogeneous and this fact leads to an anisotropic gravitational field. Moreover, orbital resonances with the two Mars natural satellites, Phobos e Deimos, makes most orbits unstable. The solution is to choose areostationary orbits for the three CubeSats. Despite being high orbits, making communication more expensive in terms of energy compared to Low Mars Orbits, they are stable with time, the main condition to fulfill in order to have a reliable alert system. Con l’avvicinarsi del primo insediamento umano su Marte, è importante accertarsi dei rischi che affronteranno gli astronauti una volta giunti sul Pianeta Rosso, ed eventualmente fornirli di efficaci sistemi d’allarme nell’eventualità di pericolo mortale. Per esempio, un sistema di allerta dovrebbe avvertirli nel caso di un improvviso aumento di SEPs, Solar Energetic Particles, che sono particelle ad alta energia che vengono originate dai flare solari e da espulsioni di massa nella corona solare. Questo tipo di evento è raro, ma potenzialmente mortale per gli uomini sul suolo marziano. Proprio per questo, la rivelazione di SEPs deve essere attuata il più velocemente possibile, cosicché gli astronauti possano mettersi al riparo rapidamente in modo da mitigare gli effetti di questi intensi flussi di radiazione ionizzante. Un modo per creare questo sistema d’allarme è quello di usare i CubeSats, nanosatelliti noti per le loro alte prestazioni e basso costo. In questo lavoro si è utilizzato Gmat, un simulatore sviluppato dalla Nasa, al fine di creare un sistema di allerta per la radiazione solare (SRAS) tramite lo studio di una costellazione di CubeSats in modo da averne sempre uno tra Marte e il Sole. Ci sono dei grandi impedimenti nel compiere questo lavoro, in quanto la distribuzione di densità delle massa di Marte non è omogenea e questo porta ad un campo gravitazionale anisotropo. Inoltre, le risonanze orbitali con i due satelliti naturali di Marte, Phobos e Deimos, rendono il più delle orbite possibili instabili. La soluzione sarà quella di scegliere orbite areostazionarie per i tre CubeSats. Nonostante quest’ultime siano orbite alte, e conseguentemente le comunicazioni con i nanosatelliti avranno un costo maggiore in termini di energia se confrontati con orbite basse, esse sono stabili con il passare del tempo e questa è la richiesta principale da soddisfare al fine di avere un sistema di allerta efficace.