Esperimenti di Laboratorio · – Sviluppo di una camera da impatto dedicata per esperimenti di scienze planetarie

Task 3300

Esperimenti di Laboratorio

Responsabile: Luigi Colangeli

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Subtasks:

Sub Task 03310 - Raccolta e analisi da campioni extra-terrestri (A. Rotundi)

Sub Task 03320 - Ipervelocità (F. Angrilli, F. Ferri, P. Cerroni, M. Di Martino)

Sub Task 03330 - Camere di Simulazione Atmosferiche (G. Piccioni, F. Esposito)

Sub Task 03340 - Camere a plasma (R. Bruno, G. Vannaroni, F.Angrilli )

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Sub Task 03340 - Camere a plasma (R. Bruno, G. Vannaroni, F.Angrilli )

Sub Task 03350 - Voli su palloni (PFS, Giada) (F. Angrilli, P. Palumbo, V. Formisano)

Sub Task 03360 - Laboratorio di test di spettroscopia di Fourier (V. Formisano, G. Bellucci)

Sub Task 03370 - Esperimenti simulazioni corpi solidi e mezzo interplanetario (G. Strazzulla, S. Fonti, V. Mennella)

Task 3300

Esperimenti di Laboratorio

Responsabile: Luigi Colangeli

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SPAZIO

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Simulazioni Ambientali e Test di Laboratorio

Esperimenti su materiali e simulazione di processi

DUSTERSTARDUST •Size: 4.8 X .7 m•Mass: 385 kg •Power: 170 - 800 W•1/2/04 Comet Wild 2•1/15/06 Returned•Cost: $212M @2006$• Speed: 22,023 km/s•Traveled: 4.37 109 km

Sub-task 3310

Raccolta e Analisi di Materiale Extraterrestre

Responsabile: A. Rotundi

•Traveled: 4.37 109 km •Participants: ~1000 •Sample Analysts: ~200

QuickTime™ e undecompressore

sono necessari per visualizzare quest'immagine.

Sub-task 3310



11.7 mm

I Grani Cometari nell’aerogel

Lo scudo di raccolta di Stardust

CALTECH: The Stardust

Univ. Parthenope (NA), INAF OAC (NA),INAF OACt (CT)

CALTECH: The Stardust Preliminary Examination Team

I primi risultati sono stati pubblicati su: Rotundi et al. 2008, Met. and Planet. Sci., 43, 1; Rotundi et al. 2008, Earth Moon and Planets, 102, 473

Sono in corso analisi su 10 nuove particelle assegnate dalla NASA.

I Grani analizzatil

Sub-Task 3350

Voli su Pallone

Responsabile: P. Palumbo

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⇒ studio del materiale extraterrestre (IDPs e componenteinterstellare) in una classe dimensionale non coperta daprecedenti attività; studio delmateriale di origine vulcanica;ricadute sullericerche atmosferiche e climatiche

Studio di fattibilità, sviluppo e realizzazione di un prototipo di strumento per la raccolta di particolato submicronico nella stratosfera: esperimento DUSTER

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• definizione dei requisiti scientifici e tecnici del prototipo(autonomia operativa, risorse, compatibilità ambientale,riutilizzabilità, prestazioni di raccolta, compatibilità con letecniche analitiche da utilizzare sui campioni raccolti: TEM,SEM, AEM, XRF, spettroscopia IR e nano-SIMS)

• realizzazione di un primo prototipo integrato di tutte lefunzionalità previste e che sia rappresentativo delle prestazioni

• realizzazione di test funzionali in condizioni operative

• studio di dispositivi per la calibrazione quantitativa

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Sono stati realizzati tutti gli obiettivi previsti per i pri mi due anni di contratto;

• un primo prototipo è stato completato nell’aprile 2008;

• un secondo migliorato lo sarà entro un mese;

• una prima versione del sistema di calibrazione è stata realizzata ed utilizzata;

• le attività già svolte hanno notevolmente superato gli obiettivi del contratto: grazie allacollaborazione dell’ASI - Unità Osservazione dell’Universo e Basi Operative, del Dip. diFisica della Sapienzae del responsabiledelle attività S. Peterzenè stato possibile

Sub-Task 3350

Voli su Pallone


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Fisica della Sapienzae del responsabiledelle attività S. Peterzenè stato possibileeffettuare unvolo del primo prototipo in condizioni pienamente operative nel giugno2008 dalla base italo - norvegese alle isole Svalbard

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Risultati conseguiti & sviluppi futuri• il volo ha avuto pieno successo tecnico e scientifico; • lo strumento è stato recuperato intatto e funzionante;• campioni stratosferici sono stati raccolti e l’attività di

analisi è in via di completamento con la strumentazione disponibile (vedi attività SubTask 3310);

• il controllo di contaminazione dell’esperimento è efficace

Sub-Task 3350

Voli su Pallone


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• il controllo di contaminazione dell’esperimento è efficace e validato;

• sono stati individuati margini di miglioramento in termini di efficienza e riduzione delle risorse;

• un nuovo prototipo è in fase di completamento;• un volo con il nuovo strumento è previsto nel 2009 come piggy-back payload

dell’esperimento SORA; altre opportunità di volo in studio;• le calibrazioni saranno ripetute, anche con facilities diverse;• le procedure di analisi di laboratorio sui campioni verranno automatizzate e ottimizzate.• dimostrata la fattibilità e l’efficacia di un programma di lungo termine, unico al mondo;• necessità di una pianificazione delle attività di lancio per la necessaria copertura spaziale e

temporale

Sub-task 3310



• Primo volo di raccolta particelle in stratosfera: Giugno 2008 (vedi Task 3350)• Particelle raccolte osservate al Microscopio Elettronico a Scansione• Analisi preliminari di composizione dei grani raccolti effettuate• Sono in corso analisi con tecniche di spettroscopia infrarossa

Sub-Task 3350

Voli su pallone

Responsabile: F. Angrilli

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Obiettivi

• Studio e dimensionamento di sottosistemi di bordo per rendere la gondola unsegmento di volo modulare ed in grado di imbarcare strumenti quali PFS eDUSTER/GIADA.

Attività svolte

• Progettazione dei sottosistemi di bordo (controllo termico, potenza, sotto-sistema perl’identificazionee recuperodellagondola)

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l’identificazionee recuperodellagondola)

• Progettazione di un sottosistema per il controllo di assetto (tipologia ibrida dicontrollo passivo e attivo

Segmento di volo - Sottosistemi:

- Potenza elettrica (fino a 50 W di picco)- Controllo termico - ACS (oscillazioni inferiori a 5 gradi)- Sistema di identificazione per il recupero (beacon attivo e

sistema di visione)- Computer di bordo per il controllo di assetto, acquisizione

e memorizzazione dati di house-keeping e dei P/L- Pre-progettazione di un dispositivo di sgancio

Sub-Task 3350

Voli su pallone

Responsabile: F. Angrilli

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Sviluppi futuri

Sono iniziati studi per la navigazione autonoma contecniche di sensor fusion e tecniche 3D-SLAM diaerorobot, ossia velivoli in grado di sorvolareautonomamente e secondo traiettorie controllateattraverso la “fusione delle informazioni elaborate dalPC di bordo provenienti da sistema di visione stereo edIMU.

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IMU.

Ricotruzione mappa

Traiettoria Controllata Modulo per la stima

Scopo delle attività:Scopo delle attività:adeguamento e sviluppo dell’acceleratore a gas leggero(LGG), facility da impatto del CISAS, per il suo ottimale utilizzo per attività di ricerca di planetologia.

Obiettivi Obiettivi degli esperimenti di impatti degli esperimenti di impatti ipervelociiperveloci di interesse in scienze planetariedi interesse in scienze planetarieMigliorare la nostra comprensione dei processi di impatto e collisionaliper studiare:

• Formazione ed evoluzione planetaria

http://cisas.unipd.it/lgg/lgg.html

Sub-task 3320

IpervelocitàResponsabili: F. Angrilli, F. Ferri, P. Cerroni, M. Di Martino

• Formazione ed evoluzione planetaria• Evoluzione collisionale dei corpi minori• Planetologia comparativa• Supporto ed ottimizzazione del ritorno scientifico di missioni spaziali

Supporto sperimentale per raffinamento verifica modelli teorici.

Approccio: studio di processi da impatto su target porosi e simulanti di superfici planetarie attraverso simulazioni sperimentali e numerichesimulazioni sperimentali e numerichedi craterizzazione e distruzione catastrofica

MarsExpressSmart-1 RosettaVenusExpressBepiColombo Cassini -Huygens

Attività svolteAttività svolte• Attività 3321: ATTREZZATURE

– Sviluppo di una camera da impatto dedicata per esperimenti di scienze planetarie. – Adattamento facility per direzione di sparo ad alta inclinazione– Sviluppo di interfacce per alloggiamento target e recupero ejecta e detriti– Sistema di raffreddamento e controllo termico del target e della canna di lancio

• Attività 3322: STRUMENTAZIONE– acquisizione di apparecchiature per diagnostica del fenomeno di impatto, per

strumentare target e analisi d ejecta, materiali impattati, e frammenti collisionali.

Sub-task 3320


strumentare target e analisi d ejecta, materiali impattati, e frammenti collisionali. – Strumentazione per analisi dei campioni post sparo– Potenziamento del sistema di acquisizione; sviluppo di software per acquisizione,

gestione automatica dei sensori di diagnostica e per redazione di rapporti di prova • Attività 3323: ESPERIMENTI

– Supporto a campagne di sparo dedicate a specifici programmi di ricerca – Realizzazione e/o reperimento targets– Realizzazione di interfacce specifiche per sospensione target– Upgrade sistema di acquisizione dati e gestione interfacce delle strumentazioni

• Attività 3324: ANALISI– Sofware per simulazioni numeriche (idrocodici)– Noleggio grandi attrezzature per analisi degli output collisionali– Sviluppo di software per analisi dati e redazione rapporti di prova

Risultati conseguiti Risultati conseguiti (alcuni es.)(alcuni es.)e sviluppi futurie sviluppi futuri• Sistema per rivelazione del flash di impatto: sviluppo dell’apparato sperimentale e taratura del sistema

di misura

• Studio per sistema di accelerazioni di polveri e loro filtraggio e per determinazione velocità di grani di

Impact flash

5.04x104 J

SMART-1shaved ice

Deep Impact

Sub-task 3320


• Studio per sistema di accelerazioni di polveri e loro filtraggio e per determinazione velocità di grani di polvere; analisi per rilevatori passivi di frammenti prodotti nell’impatto

• Simulazioni SPH (idrocodici) e analisi di wavelet per caratterizzarela propagazione di onde di shock in target porosi

• Valutazione prestazioni nuova strumentazionee.g. camera ad alta velocità OLYMPUS I-SPEED 3,sensori per detezione di polveri/ejecta da crateri di impatto

• Campagne di prove per validazione accelerazione di polveri e di proiettili di ghiaccio.

• Supporto a campagne di test di craterizzazione e distruzione di campioni porosi(ghiaccio, schiume, rocce), rivelamento flash e impatti obliqui in supporto a missione ESA Smart-1.

• Presentazione dei risultati in pubblicazioni e a workshop e convegni del settore

Quarzo

Sub-Task 3330

Camere di simulazione atmosferiche

Responsabili: G. Piccioni – F. Esposito

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Risultati conseguiti & sviluppi futuri

• La camera di simulazione presente presso l’OAC di Napoli costituirà un valido supporto persimulare le condizioni atmosferiche di Marte in prossimitàdel suolo (e non solo).

• Obiettivo: riadattamento e ottimizzazione della camera inOAC sia per garantirne la flessibilità diutilizzo in varie condizioni ambientali che per automatizzarne l’impiego.

• Il disegno delle modifiche strutturali da apportare alla camera da riadattare è stato completato.• La camera saràcontrollata termicamente via PC grazie al riscaldamento di un foglio di rame

posizionatoall’interno della camerae al passaggiodi azoto liquido nelle serpentinedi ramepiù

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posizionatoall’interno della camerae al passaggiodi azoto liquido nelle serpentinedi ramepiùesterne.

• All'interno della camera verrà montata unabase scorrevole su cui potranno esserepoggiati gli strumenti che dovranno esseretestati in ambiente marziano simulato.

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50 cm

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Risultati conseguiti & sviluppi futuri• Il set-up presente presso l’INAF-IASF di Roma costituirà

un valido supporto permisurare le proprietà ottiche digas atmosferici in condizioni estreme.

• La cella ad alta pressione ed alta temperatura(HPHT), integrata con un interferometro di Fourier,permetterà misure di trasmittanza di gas nel range dilunghezza d’onda tra 0.4 e 25 micron, con risoluzionemassima di 0.06 cm-1, per pressioni fino a100 bar etemperaturefino a 350°C.

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temperaturefino a 350°C.

• La cella HPHT potrà riprodurre lecondizioni dell’atmosfera di Venerefinoalla superficie in modo da comparare imodelli di trasferimento radiativo con lemisure di laboratorio.

• Il set-up con la cella HPHT sarà quindi unsupporto fondamentale valido perl’interpretazione dei dati provenientidall’atmosfera profonda di Venere maanche dei pianeti esterni.

• Sono state eseguite le prime misure e sonoattualmente in comparazione con imodelli.

40 bar

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Metano

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Risultati conseguiti & sviluppi futuri• La cella a bassa pressione e bassa temperatura(LPLT) del

set-up presso l’INAF-IASF di Roma , integrata con uninterferometro di Fourier, permetterà misure di trasmittanzadi gas nel range di lunghezza d’onda tra 0.4 e 25µm, conrisoluzione massima di 0.06 cm-1, per pressioni dal vuotofino ad1 bar e temperature criogeniche a partire da85 K.

• La cella LPLT potrà riprodurre le condizionidell’atmosfera tipica di gran parte dei corpi del

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T= 135 Kdell’atmosfera tipica di gran parte dei corpi delsistema solare, in modo da comparare i modelli ditrasferimento radiativo con le misure di laboratorio.

• La cella sarà integrata con un sistema di Cavity RingDown in modo da riprodurrepercorsi ottici moltoestesi (decine di km) tipici delle atmosfereplanetarie.

• Il set-up con la cella LPLT sarà quindi un supportofondamentale valido per l’interpretazione dei datiprovenienti dalle missioni in corso e da quelle future.

• Sono state eseguite le prime misure e sonoattualmente in comparazione con i modelli.

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ObiettiviRiproduzione in laboratorio diplasma ionosferico/magnetosfericoper:• Test di calibrazione e compatibilità con il plasma ambiente, su sorgenti di plasma e propulsori ionici;• Studi sull’impiego di sorgenti ioniche a radiofrequenza adantenna elicoidale per la simulazione di

ambiente spaziale ionosferico/magnetosferico.

Sub-Task 3340Camere a plasma

Responsabili: G. Vannaroni, D. Pavarin

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Camera a plasma IFSI Interno camera a plasma Sonde RPA e LP Sistema acquisizione dati e controllo

Sorgente di plasma CISAS

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Attività svolte INAF

• Implementazione e s/w controllo sistema da vuoto; s/w sistema movimentazione sonde; s/w & h/w acquisizione eanalisi dati plasma; s/w controllo e mappa campo magnetico;test sorgente di plasma.


Responsabili: G. Vannaroni, D. PavarinW

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s/w controllo sistema da vuoto s/w controllo movimentazione sonde s/w acquisizione ed elaboraz. dati plasma

Attività svolte CISAS

• Implementazione e sorgente di plasma basata su sorgente elicoidale,

• Implementazione configurazione di campo magnetico per la generazione di un ion-beam

Simulazione deflusso di plasma Sorgente elicoidale Differenti configurazioni di ion beam

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Risultati conseguiti & sviluppi futuri• completamento sistema da vuoto;• implementazione s/w e test su: sistema di movimentazione

sonde, acquisizione ed elaborazione dati dei sensori didiagnostica plasma, controllo campo magnetico;

• Completamento implementazione sorgente elicoidale• Implementazione apparato di controllo divergenza flusso in

uscitasorgentehelicon


Responsabili: G. Vannaroni, D. Pavarin

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uscitasorgentehelicon• Test presso l’IFSI-INAF della sorgente di plasma a RF

realizzata dal CISAS.

Mappe campo magnetico

Test della sorgente di plasmaTest sistema diagnostica plasmaRPA per la diagnostica della sorgente elicoidale

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Obiettivi• Prove di funzionamento e caratterizzazione delle prestazioni di uno spettrometro di

Fourier per applicazioni spaziali in condizioni ambientali realistiche.

• Caratteristiche dello strumento:

Intervallo spettrale: 2 – 25 micron

Risoluzione spettrale: 5 cm-1

Campo di vista: 3.2°

Sub-Task 3360

Laboratorio di spettroscopia di Fourier

Responsabili: G. Bellucci, V. Formisano

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Campo di vista: 3.2°

Peso: 1 Kg

Setup per le misure sui campioni naturali

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Attività svolte- Sono stati svolti test per caratterizzare le prestazioni dello

strumento:Misura del FOVMisura della risoluzione spettraleMisura della stray lightRapporto segnale rumore e NESR

Sub-Task 3360



Blackbody

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- Allestimento di unacamera da vuoto per calibrazioneradiometrica di uno spettrometro di Fourier operante tra2 e 25 micron. La camera è provvista di finestra ottica inKBr.

- Test di funzionamento a +25, -30, -70 °C.

- Misure su gesso e calcite di riflettanza tra 2-5 micron etrasmissività tra 5 – 25 micron

Setup per le misure di FOV

Sub-Task 3360



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Risultati conseguiti & sviluppi futuri• I test di funzionamento hanno mostrato il corretto funzionamento dello strumento

su un vasto range di temperatura (∆T ~100 °C).

• I test sui minerali hanno dimostrato che lo strumento ha le performanceradiometriche aspettate.

• Sviluppi futuri. Test radiometrici a bassa temperatura.

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Spettri di minerali acquisiti con lo spettrometro di Fourier

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Esperimenti di simulazione corpi solidi e mezzo interplanetario

Responsabili: G. Strazzulla, S. Fonti, V. Mennella

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Risultati conseguiti & sviluppi futuri

• We have demonstrated thatSO2 is notformed after irradiation of H 2O ice on topof sulfur rich materials:radiolysis is not theprimary formation mechanism responsiblefor the SO presenton the surfacesof the

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for the SO2 presenton the surfacesof theGalilean satellites.

• Our experiments have also shown thatSO3is the dominant molecule produced afterirradiation of SO 2 ice. We highlight theimportance of searching for SO3 that couldbe synthesized by radiolysis on the surfacesof Io and also of Europa, Ganymede, andCallisto. IR absorption spectra of a thin SO2 ice

film deposited at 16 K and afterirradiation with 200 keV of He+Gomis & Strazzulla 2008 Icarus 194, 146

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Risultati conseguiti & sviluppi futuri• We suggest tosearch for C2O and

C3O in comets that suffer fromheavy ion irradiation; CO isabundant in these objects; thus weexpect that carbon chain oxides areformed.

Sub-Task 3370



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formed.

Experiments of ion irradiation ofsolid CO demonstrate thesynthesis of several carbon chainoxides

Palumbo M.E. et al., 2008 ApJ 685, 1033

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Risultati conseguiti & sviluppi futuri• Insoluble organic matter observed in primitive meteorites has experiencedirradiation-

induced amorphization prior to the accretion of the parent bodies.

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G band position vs its FWHM (from Raman spectroscopy) for ion irradiated sootcompared with interplanetary dust particles, carbonaceous meteorites, and grains fromComet Wild 2 collected by the NASA Stardust mission

Brunetto et al. 2009 Icarus 200, 323

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Risultati conseguiti & sviluppi futuri• Evolution of organic matter in proto-solar nebula:

simulation experiments

Comparison of the 3.47µm band activated by H atomexposure in carbon grains covered with a water ice layer (redlines) with that observed in three dense clouds

Mennella 2008 ApJ , 682, L101

Sub-Task 3370



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Mennella 2008 ApJ , 682, L101

Spettroscopia IR (1-25µm) e analisi SEM dianaloghi marziani: plagioclasi (albite,labradorite, anorthite, andesine, ortoclasio ebytownite)� aree scure della superficie diMarte ed evaporiti (epsomite, esaidrite,starkeyite, kieserite, bischofite, antarticite esilvite) � possibili analoghi di alcune areedellaValles Marineris.Confronto tra i dati di laboratorio e quelliottenuti dallo spettrometro ad immaginiOMEGA (a bordo diMars Express).

Sub-Task 3370

Esperimenti simulazioni corpi solidi e mezzo interplanetario

G. Strazzulla, S. Fonti, V. Mennella

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Obiettivi• Understanding the effect of ambient pressure

on the emittance spectrum (important for theobservation ofMercury )

Attività svolte• Laboratory spectral emittance measurements

and comparison with hemispherical

Palagonitereflectance

emittance

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and comparison with hemisphericalreflectance

• Emittance and reflectance spectra of acommon composite material are different

Risultati conseguiti & sviluppi futuri• In order to measure reliable emittance

spectra we have implemented ourspectrometer with a simpler optical setup infront of the emission port and a liquid N2cooled detectror

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Esperimenti di Laboratorio · – Sviluppo di una camera da impatto dedicata per esperimenti di scienze planetarie