Dust trails from interstellar visitors: ejection modelling and sample collection mission design

The recent discovery of interstellar objects passing by the Sun at high heliocentric veloci ties has sparked the interest towards the exploration of our Solar System and the broader galaxy. These bodies, originating from other star systems, present a unique opportunity to characterize material from far extrasolar planetary and stellar clusters up close. More over, the advent of newly designed large telescopes will provide an unprecedented increase in sensitivity to these objects compared to the capabilities of currently operational obser vational facilities, promising much higher detection rates. This thesis analyzes and tracks the ejection and propagation of dust trails from interstellar objects closely approaching the Sun, and explores the design and feasibility of space missions aimed at capturing such samples, using the recently observed 1I/’Oumuamua and 2I/Borisov as study cases, with the idea of generalizing the process for future encounters. Both direct transfers (from Earth and L2) and trajectories exploiting a powered Jupiter gravity assist are ex plored and compared, using solid and liquid rocket engines, to estimate the most suited design. The proposed mission concepts involve the deployment of spacecrafts equipped with advanced sample collectors and propulsion systems, capable of completing their task at high heliocentric distances. The primary objective is to collect the tracked cloud of material to perform in-situ analysis and send the data back to Earth. The thesis details the mission architecture, including trajectory design, capture strategies and sample con tainment methods. Through simulations and technical analysis, this thesis demonstrates the potential of interstellar objects’ dust trails sample capture missions to revolutionize our understanding of the universe.

La recente scoperta di oggetti interstellari, passati vicino al Sole a elevata velocità, ha suscitato un crescente interesse verso l’esplorazione del nostro Sistema Solare e della più ampia galassia. Questi corpi, originati in altri sistemi stellari, offrono un’opportunità unica per caratterizzare da vicino il materiale proveniente da lontani ammassi planetari ed extrasolari. Inoltre, l’avvento di nuovi telescopi di grande portata offrirà un aumento senza precedenti della sensibilità verso questi oggetti rispetto alle capacità delle strutture di osservazione attualmente operative, promettendo tassi di rilevamento molto più elevati. Questa tesi analizza e traccia l’espulsione e la propagazione delle scie di polvere provenienti da oggetti interstellari che si avvicinano al Sole, ed esplora la progettazione e la fattibilità di missioni spaziali mirate alla cattura di tali campioni, utilizzando i recenti casi osservati di 1I/’Oumuamua e 2I/Borisov come punti di riferimento, con l’intento però di general izzare il processo per futuri incontri. Sono applicati e confrontati sia trasferimenti diretti (con partenza dalla Terra e da L2) che traiettorie che sfruttano un’assist gravitazionale da Giove, utilizzando motori a propellente sia solido che liquido, per stimare il design più adatto. I concetti proposti prevedono il dispiegamento di veicoli spaziali equipaggiati con avanzati sistemi di raccolta campioni e di propulsione, capaci di completare il loro com pito a grandi distanze eliocentriche. L’obiettivo primario è raccogliere la nube di materiale tracciata per eseguire analisi in loco e comunicare i dati raccolti alla Terra. La tesi descrive in dettaglio l’architettura della missione, inclusi il design delle traiettorie, le strategie di cattura e i metodi di contenimento dei campioni. Attraverso simulazioni e analisi tec niche, questa tesi dimostra il potenziale delle missioni di cattura e studio dei campioni di polvere da elementi interstellari, utili a rivoluzionare la nostra comprensione dell’universo.