Romanian InSpace Engineering riduce le dimensioni di un laboratorio destinato all'orbita

L'hardware destinato allo spazio spesso comporta sfide estreme in termini di miniaturizzazione. Gli ingegneri devono ridurre le dimensioni, la massa e l'eccessiva complessità, preservando al contempo la funzionalità di un sistema originale, solitamente di dimensioni maggiori. Per la ricerca sulla microgravità, tale compressione è particolarmente impegnativa poiché un esperimento deve produrre dati scientifici utili dopo il lancio, l'installazione, l'attivazione e il funzionamento in orbita.

Romanian InSpace Engineering, nota anche come RISE, è stata fondata a Bucarest nel 2017. RISE sviluppa hardware per lo spazio e supporta progetti con competenze in diverse discipline, tra cui l'ingegneria meccanica, elettrica e lo sviluppo software full-stack. Il suo progetto DropCoal ha messo alla prova tali competenze trasformando un esperimento su scala di laboratorio in un carico utile compatto progettato per operare a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS).

DropCoal è un esperimento finanziato dall'Agenzia Spaziale Europea che studia il comportamento delle goccioline in microgravità, aiutando i ricercatori a comprendere meglio il moto dei fluidi quando la gravità non determina più il modo in cui i liquidi si scontrano, rimbalzano, si fondono e si mescolano. Il carico utile DropCoal è stato installato sull'ICE (International Commercial Experiment) Cubes Facility, una piattaforma di ricerca plug-and-play all'interno del laboratorio Columbus dell'Agenzia Spaziale Europea sulla ISS.

Un laboratorio ridotto a quattro litri

La sfida ingegneristica andava ben oltre la semplice costruzione di una piccola scatola. Si trattava di condensare la funzionalità di un esperimento di laboratorio in un hardware certificato per lo spazio in grado di spostare le goccioline, controllarne l'interazione, acquisire immagini dei risultati e supportare l'analisi al termine dell'esperimento. Come spiega il cofondatore Mugurel Balan, gli ingegneri di RISE "trasformano un grande tavolo da laboratorio in una scatola da quattro litri", riprogettando esperimenti su scala di laboratorio in carichi utili compatti in grado di funzionare a bordo della Stazione Spaziale Internazionale.

Ridurre un esperimento su scala di laboratorio a un carico utile compatto da quattro litri ha comportato notevoli sfide meccaniche, termiche e di assemblaggio. Il sistema richiedeva pompe, motori per controllare il movimento delle goccioline, componenti ottici, una telecamera ad alta velocità e un software integrato per l'analisi delle immagini in tempo reale. L'esperimento ha anche dovuto catturare il comportamento dei fluidi a 8.000 fotogrammi al secondo, il che ha reso la configurazione ottica e il packaging interno centrali nell'architettura del carico utile.

Balan ha descritto RISE come "minuscoli integratori di sistemi", un'espressione che ben si adatta al lavoro svolto. Tuttavia, minuscolo non era sinonimo di semplice. Il team ha dovuto inserire requisiti scientifici, meccanici, ottici, termici, elettronici e software in uno spazio incredibilmente ristretto. "Era davvero molto affollato", ha sottolineato Balan. Ha inoltre aggiunto che il team ha dovuto progettare lenti telecentriche specifiche per l'ottica.

Progettare entro i vincoli

RISE ha utilizzato SOLIDWORKS® Design per convertire i requisiti scientifici dell'esperimento in hardware compatto e producibile. Il lavoro pratico si è concentrato sull'integrazione: inserire componenti meccanici, elettrici e sperimentali in un carico utile di quattro litri con vincoli molto rigidi, perfezionando al contempo il progetto per il lancio, l'installazione e il funzionamento.

L'aspetto più impegnativo è stato il comportamento termico. Il carico utile non funzionava come un semplice sistema in regime stazionario. Il suo comportamento cambiava man mano che venivano accesi i componenti, tra cui la sorgente luminosa, la telecamera e il microcontrollore. Quella sequenza era significativa perché ogni fase contribuiva all'aumento complessivo della temperatura nella camera di reazione.

Il team ha utilizzato gli strumenti di SOLIDWORKS Simulation durante tutto il processo di progettazione iterativo. Balan ha descritto il flusso di lavoro come "progettazione, simulazione, progettazione, simulazione", utilizzando parametri di convezione noti per valutare il comportamento termico all'interno del carico utile. Ogni ciclo di simulazione ha aiutato il team a verificare come si sarebbe comportato il sistema compatto man mano che veniva attivato in fasi successive e a perfezionare il progetto prima del lancio.

Allineamento dell'orbita alle aspettative

Il risultato più significativo è stata la corrispondenza tra il comportamento previsto (utilizzando gli strumenti di simulazione di SOLIDWORKS Design) e il funzionamento reale. "I risultati sulla stazione erano molto simili a ciò che avevamo simulato", ha osservato Balan. Tale corrispondenza ha dimostrato che il lavoro di progettazione e simulazione del team aveva aiutato ad anticipare il comportamento effettivo del sistema del carico utile compatto durante il funzionamento in orbita.

DropCoal ha inoltre dimostrato che un team industriale di un'azienda rumena con appena 50 dipendenti fosse in grado di sviluppare un sistema spaziale completo per la ricerca sulla Stazione Spaziale Internazionale. L'astronauta della NASA Don Pettit ha installato l'esperimento DropCoal nella struttura ICE Cubes all'interno del modulo Columbus della ISS. La ricerca potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere meglio il comportamento delle goccioline in microgravità, con potenziali implicazioni in settori come la formulazione di farmaci, l'erogazione di fluidi e la modellazione della combustione.

Gli ingegneri hanno sfruttato SOLIDWORKS Design per trasformare questo esperimento scientifico in un hardware compatto che potesse essere imballato, valutato, lanciato, installato e messo in funzione. Per RISE, il valore ingegneristico ripetibile consiste nel combinare progettazione e simulazione per ridurre l'incertezza prima che l'hardware raggiunga un ambiente in cui una riprogettazione non sia più praticabile.

Sistemi compatti, conseguenze importanti

DropCoal è un piccolo carico utile che offre un grande insegnamento per l'ingegneria spaziale. La qualità dell'integrazione è fondamentale in orbita, poiché ogni decisione interna può influire sul comportamento termico, sulla qualità delle immagini, sull'adattamento meccanico o sull'affidabilità sperimentale. Balan ha sottolineato con entusiasmo che il valore di SOLIDWORKS Design deriva dalla capacità di ripetere rapidamente il processo iterativo MODSIM (modellazione + simulazione) per comprendere il comportamento del sistema.

Per i team che si occupano di hardware spaziale, la lezione è chiara: il futuro della ricerca orbitale dipenderà non solo da idee di missione audaci, ma dalla capacità di sintetizzare, convalidare e realizzare tali idee all'interno di vincoli fisici inderogabili.