I dati di Perseverance sulla polvere: cosa si attacca ai materiali delle tute su Marte

Perseverance ha misurato direttamente granelli di polvere marziana piccoli fino a circa 100 nanometri. Questi granelli si sono depositati su componenti di calibrazione che viaggiano sul rover da anni. Secondo la NASA, il rover ha misurato polvere fine e ultrafine nell'arco di 1.645 giorni marziani, comprese particelle abbastanza piccole da penetrare nei polmoni e passare nel flusso sanguigno. Lo studio sarà pubblicato sui Proceedings of the National Academy of Sciences il 27 ottobre. Questo articolo si basa sul comunicato della NASA e su precedenti abstract di conferenze dello stesso gruppo. Non è stato possibile consultare l'articolo di PNAS, quindi i dettagli più fini su metodo e statistica non sono trattati qui.

I dati non simulano l'usura di una tuta. Sono il risultato di un test di esposizione passivo e involontario: la polvere si è posata su una piastra verticale e su campioni di tessuto ed è rimasta lì durante la guida e le perforazioni. Questo li rende utili per la progettazione, ma ne limita anche la portata.

01Un sensore di polvere ricavato da un disco neutro

La misura chiave proviene da PIXL, lo spettrometro a fluorescenza di raggi X montato sul braccio del rover. Il suo target di calibrazione comprende un campione di Teflon e uno di vetro basaltico. La parte utile è il disco di Teflon. Il PTFE è composto da carbonio e fluoro e, come il gruppo ha scritto negli abstract di conferenza, non contiene elementi che PIXL possa rilevare direttamente tramite XRF, quindi interrogarlo su Marte equivale in sostanza a valutare direttamente la polvere. Un abstract precedente ribadisce il concetto: a parte le righe dell'anodo di rodio, i raggi X caratteristici negli spettri del PTFE sono di fatto dovuti alla polvere accumulata.

Un componente destinato a confermare il funzionamento della sorgente e del rivelatore di raggi X è diventato così un collettore di polvere con un fondo noto e neutro. Il lavoro del gruppo ha trattato la polvere come uno strato sottile. Nella formulazione dell'abstract, un campione sottile limita l'analisi all'eccitazione dovuta al solo flusso incidente di raggi X. L'abstract osserva inoltre che i segnali di polvere sottile su un substrato invisibile all'XRF sono sbilanciati verso gli elementi a bassa energia e basso numero atomico. Qualsiasi stima di volume o spessore deve correggere questa distorsione. Gli abstract non spiegano come l'articolo definitivo la gestisca.

Il secondo flusso di dati proviene da SHERLOC, lo strumento Raman e di fluorescenza. Il suo target di calibrazione include apposta materiali per tute. La fila inferiore contiene un pezzo di visiera in policarbonato, Vectran (un tessuto antitaglio per i palmi dei guanti), Ortho-Fabric e due tipi di Teflon. Lo studio ha analizzato i campioni di Teflon e Vectran. Secondo la NASA, i campioni sono stati inviati per studiare come i materiali delle tute resistano sulla superficie del pianeta. Il gruppo di SHERLOC non era partito con l'idea di costruire un esperimento sui materiali per tute. Un membro del team ha raccontato che inizialmente servivano un riferimento in Teflon e materiali con buone firme Raman, e che il ruolo legato alle tute è nato da lì.

02Cosa dicono i numeri

Le precedenti misure su Marte risolvevano la polvere solo fino a circa 3 micrometri. PIXL ha distinto due categorie più piccole: particelle fini sotto i 2,5 micrometri e particelle ultrafini intorno ai 100 nanometri. Il confronto proposto dalla NASA è che un capello umano misura circa 70 µm di larghezza, quindi un granello da 100 nm è circa 700 volte più sottile.

La dimensione dei granelli dipendeva dalla superficie, come mostra la tabella.

Le particelle sul Teflon di PIXL e sul Vectran di SHERLOC avevano in media circa 2 micrometri, mentre il vetro basaltico di PIXL e il Teflon di SHERLOC trattenevano polvere fino a circa 100–300 nanometri. Lo stesso polimero nudo ha quindi trattenuto popolazioni molto diverse a seconda di dove si trovava e di quale strumento lo osservava. Il comunicato non lo spiega; l'articolo completo potrebbe farlo.

La composizione è in linea con la polvere ricca di ferro e zolfo delle missioni precedenti. PIXL ha inoltre rilevato un arricchimento di fosforo e indizi di solfato di calcio. Un abstract del 2024 per una conferenza su Marte, firmato dallo stesso gruppo, segnalava già l'arricchimento di fosforo e gli effetti elettrostatici sul target di calibrazione. L'articolo di PNAS sembra basarsi su quel lavoro.

03L'elettrostatica decide cosa si attacca

Il meccanismo centrale è elettrostatico. Secondo la NASA, l'elettricità statica sembra determinare quali dimensioni di polvere aderiscano a quali superfici: i granelli si caricano scontrandosi nell'aria e i diversi materiali dei target di calibrazione attirano dimensioni diverse. Ne derivano due conseguenze.

• Persistenza. Le particelle più fini sono rimaste attaccate per anni di guida e perforazioni. Il primo autore, Scott VanBommel della Washington University di St. Louis, ha spiegato che i grumi più grandi si staccano con il tempo mentre i granelli più piccoli restano. Li ha definiti la sfida più difficile per i sistemi di supporto all'esplorazione umana.
• Vulnerabilità dei polimeri. Secondo la NASA, i polimeri organici come il campione di Teflon di SHERLOC sono comuni negli strati esterni delle tute e raccolgono facilmente la polvere fine. Il dato conta perché il Teflon viene spesso scelto per le sue proprietà antiaderenti e antipolvere. Il risultato mostra che una bassa adesione ai granelli grandi non garantisce una bassa adesione ai granelli submicrometrici.

Lo studio ha inoltre rilevato che alcuni materiali trattengono meno polvere di altri. La NASA lo presenta come base per scegliere materiali e rivestimenti protettivi per tute e habitat. Il comunicato non fornisce classifiche né valori quantitativi di ritenzione, quindi gli ingegneri dovranno consultare le tabelle dell'articolo.

04Perché la polvere di Marte è un problema diverso da quella lunare

L'impostazione della NASA parte dall'Apollo, quando la polvere lunare graffiò le visiere, degradò gli strati esterni delle tute e danneggiò le guarnizioni. La polvere marziana è diversa. Le collisioni indotte dal vento hanno arrotondato i suoi granelli, che risultano meno abrasivi di quelli lunari. La polvere di Marte è inoltre più ricca di zolfo, cloro e ferro e contiene più silice. Le tempeste regionali e globali la mantengono in circolazione.

Questo sposta le priorità progettuali. Abrasione e usura meccanica contano meno su Marte; contano di più l'esposizione respiratoria e quella chimica. Sulla Terra il particolato inferiore a 2,5 µm è associato a effetti sulla salute perché raggiunge in profondità i polmoni e il flusso sanguigno. Gli studi hanno mostrato che le particelle ultrafini possono viaggiare dalla cavità nasale al cervello lungo il nervo olfattivo. La polvere marziana è composta in prevalenza da minerali silicatici e contiene composti reattivi come i perclorati, che possono alterare la funzione tiroidea, e ferro reattivo, che induce danni cellulari. La NASA afferma che, secondo gli scienziati, il rischio dipende dalla dose e dal tempo di esposizione. Per questo le distribuzioni dimensionali misurate alimentano direttamente i limiti di esposizione negli ambienti interni.

05Dalla misura alla mitigazione, e ciò che non è dimostrato

La NASA indica diverse strade di mitigazione che ne discendono. Le suitport, che permettono agli astronauti di entrare in una tuta collegata all'esterno di un habitat, e le camere di equilibrio a doppia camera potrebbero ridurre la quantità di polvere che entra negli alloggi. La ricerca potrebbe inoltre orientare limiti di esposizione, procedure di gestione della polvere e metodi di rimozione.

La rimozione attiva della polvere è in fase di test sulla Luna. Nel marzo 2025 un Electrodynamic Dust Shield del Kennedy Space Center è volato sulla missione Blue Ghost Mission 1 di Firefly. Ha usato campi elettrici per rimuovere il regolite da superfici di vetro e da radiatori termici. Al Johnson Space Center gli ingegneri usano camere a vuoto e simulante lunare per provare componenti delle tute e uno strumento elettrostatico portatile per la mitigazione della polvere, in vista di Artemis. L'elettrostatica è qui sia la causa dell'adesione sia un possibile mezzo per rimuovere la polvere. Questi dati non stabiliscono se tale approccio funzioni su granelli marziani da 100 nm alle pressioni di Marte.

I limiti del set di dati vanno dichiarati con chiarezza:

• I campioni sono piccoli, passivi e montati su un rover. Non vengono flessi né abrasi e non coinvolgono né la pressione della tuta né alcuna tenuta.
• L'esposizione riguarda la storia di un solo sito. Copre il cratere Jezero e gli eventi di sollevamento di polvere lungo il percorso.
• I dati mostrano dimensione e adesione. Non indicano tossicità e il comunicato non fornisce soglie di esposizione.
• Le classifiche dei materiali richiedono conferme di laboratorio con polvere analoga a quella marziana, in condizioni rappresentative di umidità, carica e pressione.

Anche così, queste sono le prime misure in situ di particelle fini e ultrafini su Marte. Offrono ai progettisti di tute e habitat un intervallo dimensionale misurato e un meccanismo da verificare, prima dell'arrivo di qualsiasi equipaggio. Katie Stack Morgan, project scientist di Perseverance al JPL, ha osservato che i campioni di tessuto per tute rientrano nella preparazione della missione all'esplorazione umana. I prossimi passi sono i dati materiale per materiale dell'articolo e i test di laboratorio che riproducano le condizioni elettrostatiche alla loro origine.