Project Loon - Tesina

Air Force Base in Florida (figura 15). Questa

sorta di laboratorio ha delle dimensioni enormi,

dove gli scienziati della Google hanno potuto

simulare le temperature presenti nella

stratosfera, toccando i -65 °C. Qui i ricercatori

hanno testato i punti deboli dei palloni, per

esempio sottoponendoli al ciclo delle

Figura 15 – Il McKinley Climatic Laboratory temperature giornaliere. In questo modo gli

esperti del Project Loon sono riusciti a migliorare drasticamente la manifattura

dei palloni.

L’attrezzatura che compone i palloni di Google è abbastanza costosa e contiene

degli importanti dati utili nella fase di test e sviluppo del progetto, motivo per il

quale il loro recupero è molto importante. Per questo l’azienda di Mountain View

ha istituito una task force formata da ex-militari, specializzata nel ritrovamento dei

palloni, fatti atterrare per un semplice controllo o a causa di un guasto.

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Solitamente vengono fatti discendere in zone disabitate, pianeggianti e con un

facile accesso tramite auto, tuttavia capita che il Mission Control faccia degli errori

di calcolo e recuperare i palloni diventa più complesso. Una volta trovati, i

componenti vengono riportati alla sede di Google X e riutilizzati.

In soli 3 anni, il team del Project Loon è riuscito a compiere l’impossibile costruendo

Autolauncher, comunemente chiamato Chicken Little, la nuova frontiera per il

lancio dei palloni. Nei primi test, come quello in Nuova Zelanda e in Brasile, una

squadra di almeno 16 persone aveva il compito di stendere, aprire e poi gonfiare

parzialmente i palloni. Fatto questo dovevano aspettare il momento adatto per

lasciarlo andare, infatti questi potevano essere lanciati solo con venti inferiori a 9,7

Km/h. Questo processo portava via minimo 45 minuti, ma poteva arrivare anche

ad alcune ore, se il vento era sfavorevole.

Ecco allora che nel marzo 2016 Google

pubblicò le prime immagini del Chicken

Little (figura 16), una struttura

portatile alta 16,7 m e larga 12,1 m, che

prende dalla sommità i palloni, li

distende su un braccio meccanico e li

gonfia. Questa struttura è dotata anche

di tre pareti, ricavate dalle porte dei

capannoni, che bloccano le correnti Figura 16 – Chicken Little

d’aria. In questo modo i palloni

possono essere lanciati anche con venti di 24 km/h e il lavoro che occupava quelle

16 persone e quei 45 minuti, ora impegna solamente 4 persone e 15 minuti. Grazie

a quest’incredibile invenzione Mike Cassidy e il suo team saranno in grado di creare

il famoso anello di palloni intorno al globo e quindi garantire una connessione

costante a tutte quelle persone che usufruiranno del servizio. Pagina | 12

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2.2 Come ci si connette?

Chiunque si può connettere alla rete dei palloni purché abbia un dispositivo che

supporta l’LTE, come uno smartphone di ultima generazione.

Il segnale trasmesso dalle

antenne degli operatori

telefonici con cui Google ha

stipulato un accordo, viene

ricevuto dal pallone che

fluttua nel raggio di

irradiazione dell’antenna. Il

Figura 17 – Funzionamento della rete dei palloni segnale viene poi ripetuto dal

loon ai palloni circostanti, che lo mandano a terra quando un utente richiede la

2

connessione (figura 17). Un solo pallone riesce a coprire un’area di ben 5 000 km

e fornire l’accesso alla rete a centinaia di persone.

Tutto questo è possibile grazie ad una piccola scatola (figura 18), situata appena

sotto l’involucro, pesante circa 10 kg che contiene tutta l’elettronica del pallone. Più

precisamente sono presenti delle apparecchiature informatiche che controllano

l’intero sistema (sensori, GPS, microfono, telecamera, ecc.) e tre ricetrasmittenti:

un’Ubiquiti Networks “Rocket M2” per la comunicazione

1. pallone-pallone;

2. un’Ubiquiti Networks “Rocket M5” per la comunicazione

pallone-stazione terrestre;

una terza di backup.

3. Figura 18 – Scatola

Il problema più grande che gli esperti del Project Loon dovettero contenente l’elettronica

del pallone

affrontare, era il fatto che i palloni continuavano a muoversi e

non rimanevano in un punto fisso. Perciò utilizzare un’antenna parabolica risultò

inefficace dato che sono costruite per ricevere un segnale da un oggetto “fermo”,

come può essere un satellite geostazionario, che gira alla stessa velocità e direzione

della Terra. Pagina | 13

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Oltre a questo, le antenne sui palloni sono polarizzate ovvero generano delle onde

elettromagnetiche la cui direzione nel campo elettrico può essere o verticale o

orizzontale; di conseguenza l’antenna ricevente dovrà essere opportunamente

polarizzata per ricevere il segnale trasmesso dal pallone.

Cyrus Behroozi, capo del reparto reti e telecomunicazioni, e il suo team sono

riusciti a realizzare una speciale antenna terrestre per soddisfare le necessità

elencate di sopra. Questa è formata principalmente da tre elementi:

un’antenna radio Ubiquiti Networks “Rocket M5”, nella parte inferiore;

1. un’antenna a microstriscia che si occupa della ricezione e diffusione dei

2. segnali, nella parte superiore;

un riflettore circolare che divide le due antenne.

3.

L’antenna a microstriscia (figura 19), o patch

antenna, ha il compito di ricevere le onde

dirette e tutte quelle che rimbalzano sul

riflettore. Nella costruzione di questo

componente non hanno utilizzato una sola

patch antenna, ma bensì due: una

polarizzata per ricevere le onde orizzontali

e una per ricevere quelle con polarizzazione

verticale. In questo modo, Figura 19 – Antenna a microstriscia e riflettore

indipendentemente da come sono orientati

i segnali trasmessi, è sicuro che una delle due antenne li riceverà.

I palloni, essendo in continuo movimento, necessitano di un’antenna che garantisca

una quantità uniforme di potenza ovunque il loon si trovi. Per questo, durante la

progettazione, si è optato per componenti con una maggiore sensibilità quando

il pallone si trova in una posizione angolata rispetto all’antenna.

Cyrus Behroozi ha dichiarato che durante la costruzione della stazione terrestre,

utilizzata nei primi test, l’obbiettivo principale era la semplicità. In questo modo

si sono potuti concentrare solo sugli aspetti essenziali del dispositivo, senza

aggiungere nulla di complesso, che eventualmente sarebbe potuto sfociare in

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qualche intoppo. Ora che il prototipo di stazione terrestre funziona, possono

progettare antenne sempre più sofisticate e portare le prestazioni a livelli molto

più elevati.

2.3 Qual è la fonte di energia?

I vari componenti dei palloni sono alimentati attraverso dei pannelli solari. Ognuno

di questi è realizzato da una lamina di plastica flessibile, sostenuta da una struttura

di alluminio leggero di 1,5 m per 1,5 m. Queste lastre sono formate da celle

monocristalline con la particolarità di avere un alto rendimento elettrico e di essere

più efficienti nei giorni nuvolosi. Il rovescio della medaglia è il prezzo, che supera

tre volte quello dei fotovoltaici con celle policristalline.

I pannelli sono divisi in due sezioni

opposte che, grazie al loro angolo

acuto, permettono di assorbire energia

in qualsiasi posizione si trovi il pallone

rispetto al Sole (figura 20). I pannelli,

durante le giornate di pieno sole,

producono circa 100 Watt di potenza

che sono più che sufficienti per

Figura 20 – Pannelli solari

alimentare l’elettronica dei loons. Parte dell’energia eccedente viene utilizzata per

generare calore, che mantiene i componenti elettronici ad una temperatura

ottimale, siccome a 20 Km di altezza c’è molto freddo. Il resto della potenza viene

utilizzata per caricare le batterie, impiegate durante le ore notturne al posto dei

pannelli.

I pannelli solari lavorano molto meglio ad

altitudini elevate, perché è presente

meno massa d’aria che assorbe le

radiazioni solari. Infatti nella stratosfera

(figura 21) c’è solo il 5% di massa d’aria

rispetto al livello del mare. Sopra la

troposfera l’energia solare disponibile è di Figura 21 – Strati dell’atmosfera

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1366 W/m , mentre a livello del mare è di 1000 W/m . Supponendo che un pannello

2

solare di 1 m avente efficienza del 10% sia posto nella troposfera, genererà 100

Watt, ma se posto al di sopra riuscirà a creare circa 136,6 Watt di potenza.

Come già detto i pannelli solari caricano anche delle batterie al litio, in modo da

rendere operativo il pallone anche durante le ore notturne. Nella stratosfera però

le temperature arrivano fino a -70°C e si sa che le batterie non lavorano al meglio

in queste condizioni. Addirittura, climi del genere portano spesso ad una

diminuzione della loro capacità disponibile e nei casi più estremi ad una completa

inefficienza.

Ecco allora che Jim Morash, un ingegnere elettronico del Project Loon, e il suo

team, per risolvere questo problema hanno deciso di isolare completamente

l’intero sistema di alimentazione. In questo modo hanno potuto riflettere e

intrappolare il calore generato dagli altri componenti elettronici, a costo zero in

pratica. Per fare ciò avevano utilizzato del polistirolo, ottimo isolante che previene

la conduzione e la convezione, ma a 20 km di altezza il trasferimento di calore

avviene soprattutto attraverso le radiazioni. Oltre a questo intoppo, l’utilizzo del

polistirene aveva provocato un peggioramento nelle prestazioni, appesantendo

il pallone, e riducendo di conseguenza i

giorni passati in quota.

Hanno quindi deciso di utilizzare lo

stesso materiale isolante utilizzato dalla

NASA nello strato esterno delle tute

spaziali degli astronauti, ovvero una

sorta di coperta termica multistrato

Figura 22 – Sistema di alimentazione dei palloni (chiamata Kapton), dove l’interno è

alluminizzato mentre l’esterno è in fibra di carbonio (figura 22). Gli ingegneri però

non si sono fermati qua e stanno tuttora cercando di ottenere risultati sempre

migliori utilizzando specifici elettroliti e materiali catodici, ovvero composti da

elettroni. Pagina | 16

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Considerando le altitudini a cui lavora il Project Loon e il fatto

che non utilizza fili, i pannelli solari sono la scelta più ovvia.

Muovendosi utilizzando il vento e caricandosi con l’energia

solare il Project Loon è in grado di funzionare ut