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L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare stampa in 3D un telescopio UV per la Stazione Spaziale

Alla scoperta del nuovo progetto aerospaziale Mini-EUSO

Nell’ambito di un accordo bilaterale stipulato tra l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) e l’Agenzia Spaziale Russa Roscosmos, l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) ha utilizzato una stampante 3D FDM Fortus 450mc di Stratasys per produrre, presso i Laboratori Nazionali di Frascati, l’intera struttura meccanica del primo telescopio cosmico per raggi UV, attualmente situato a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) e realizzato sotto il coordinamento dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI). Stratasys è l’azienda che inventato la tecnologia di stampa 3D a estrusione di filamento, definita dal nome registrato FDM (fused deposition modeling).

3dpbm ha contattato telefonicamente Marco Ricci, Primo Ricercatore presso i Laboratori Nazionali INFN di Frascati e Responsabile Nazionale INFN della Collaborazione EUSO SPB2 Italia, e Tommaso Napolitano, Responsabile del Servizio di Progettazione e Costruzioni Meccaniche della Divisione Tecnica dei Laboratori Nazionali INFN di Frascati.

“L’esperimento Mini-EUSO si colloca innanzitutto nell’ambito di un progetto di collaborazione più vasto, volto all’osservazione e studio dei raggi cosmici dallo spazio, denominato JEM-EUSO (Joint Experiment Missions – Extreme Universe Space Observatory), un programma internazionale che oltre all’Italia comprende molti paesi europei con Giappone e Stati Uniti, coordinato e guidato dal Professor Piergiorgio Picozza di INFN e Università di Roma Tor Vergata. L’obiettivo scientifico principale di Mini-EUSO è quello di produrre una mappa ad alta risoluzione della Terra nell’intervallo UV (300-400 nm), ponendosi come esperimento precursore nella road map per future missioni spaziali di grande respiro” afferma Ricci.

La Stazione Spaziale Internazionale

“Lo scopo di Mini-EUSO è di osservare dallo spazio – e in particolare dalla stazione spaziale internazionale – le emissioni notturne nel regime ultravioletto sia dalla terra che dallo spazio e non solo. In parole semplici è una complessa e velocissima macchina fotografica che osserva tutto ciò che avviene all’interno del suo campo di vista ad esempio anche fenomeni atmosferici, emissioni notturne dalla terra, meteore e probabilmente anche l’osservazione dei detriti spaziali. La rilevanza di questo progetto è evidente se si pensa che osservazioni sistematiche di questo tipo nello spazio non sono mai state effettuate. Mini-EUSO, è un oggetto molto compatto, 60 x 40 x 40 cm cubi con un peso di circa 40 kg. Ha una struttura complessa, al suo interno ha infatti due lenti ottiche e un piano focale costituito da quelli che noi chiamiamo foto-moltiplicatori: degli oggetti cioè che trasformano il segnale di luce in segnale elettrico. I dati sono registrati su penne USB ad alta capacità, con una memoria di circa mezzo terabyte ciascuna che gli astronauti a bordo devono sostituire quando sono sature”.

Mini-EUSO è stato lanciato dalla base di Baikonur (Kazakhstan) su una capsula russa Soyuz automatizzata, cioè senza astronauti a bordo, il 22 agosto 2019. Dopo una prima fase di controlli, i primi di ottobre ha cominciato a registrare dati, in varie sessioni di misura e osservazione. E’ interessante notare che parte della campagna di osservazioni di Mini-EUSO è stata effettuata, dopo un opportuno addestramento a terra, dall’astronauta italiano dell’ESA (Agenzia Spaziale Europea) Luca Parmitano, che è stato anche Comandante della ISS nel corso della sua missione denominata ‘Beyond’. Attualmente Mini-EUSO sta continuando a registrare dati, la durata prevista di questa missione è infatti intorno ai 3 anni, quindi dovrebbe concludersi nel 2022, ma non è escluso che l’esperimento venga prolungato“.

Mini-EUSO Flight Model stampato in 3D, con struttura realizzata in resina ULTEM 9085 utilizzando una stampante 3D Stratasys Fortus 450mc

“In questi mesi di lockdown noi ricercatori del gruppo abbiamo continuato a raccogliere informazioni ed analizzare dati e i primi risultati sono molto incoraggianti. Innanzitutto ci dicono che lo strumento funziona bene secondo le aspettative e questo ci permette di guardare con ottimismo alle fasi successive della missione. Inoltre, l’utilizzo della stampa 3D FDM di Stratasys per la fabbricazione della struttura meccanica di Mini-EUSO ci ha permesso di ridurre di quasi dieci volte il costo complessivo del progetto, oltre a farci risparmiare circa un anno intero di tempo di sviluppo. È un risultato sorprendente che non ci saremmo mai aspettati dalla stampa 3D,” ha concluso Ricci.

La fabbricazione della struttura meccanica di Mini-EUSO presentava diverse difficoltà. In particolare, il team aveva bisogno di un materiale capace di soddisfare i severi requisiti di certificazione dell’industria aerospaziale e della ISS, nonché di sopportare le sollecitazioni meccaniche e le vibrazioni del lancio di un razzo.

Componente di Mini-EUSO realizzato in resina ULTEM™ 9085 dal team dell’INFN utilizzando la stampante 3D Stratasys Fortus 450mc

A tal proposito Tommaso Napolitano ha spiegato: “Per quanto riguarda la parte meccanica sostanzialmente abbiamo sviluppato sia il progetto che la costruzione di tutta l’infrastruttura, quindi di tutta la box esterna dello strumento è stata costruita in alluminio mentre quasi tutta la parte interna descritta precedentemente dal mio collega Ricci, è stata disegnata e costruita ai laboratori nazionali di Frascati utilizzando una stampante Stratasys Fortus 450 MC con tecnologia FDM. Il materiale utilizzato è stato l’ULTEM 9085 proprio per venire incontro a diverse esigenze tecniche e si è rivelato fondamentale per riuscire a portare a casa il risultato. La parte elettronica e in particolare i foto-moltiplicatori che sono all’interno del telescopio sono alimentati a tensioni molto alte e sostanzialmente sono oggetti molto vicini tra loro, quindi c’è un’alta probabilità di scariche elettriche tra uno e l’altro, per questo motivo è stato necessario studiare una meccanica in grado di sorreggerli ma che avesse anche un buon potere isolante”.

“La scelta dei materiali porta spesso diversi problemi, noi abbiamo cercato un po’ di stravolgere questo approccio e per fortuna avevamo già in casa una stampante Fortus, così dopo esserci consultati con i nostri collaboratori Stratasys abbiamo deciso di tentare la strada dell’ULTEM che si è rivelato incredibilmente soddisfacente, perché oltre a coprire tutti i requisiti di sicurezza ci ha anche consentito di restare dentro ai limiti di peso che naturalmente ci erano stati imposti. Possiamo affermare che l’ULTEM sia stata una vera e propria carta vincente all’interno del nostro progetto. Abbiamo stampato due modelli, quello ingegneristico che viene utilizzato per tutta la fase di test e il modello finale di volo, che è naturalmente quello che sta lavorando nello spazio” ha concluso Napolitano.

Il telescopio Mini-EUSO stampato in 3D, posizionato con successo sulla finestra rivolta verso la Terra del modulo russo Zvezda sulla ISS
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Andrea Gambini

Mi piace leggere e scrivere da sempre. Ho iniziato a lavorare in redazione come giornalista sportivo nel 2008, poi la passione per il giornalismo e per il mondo della comunicazione in generale, mi ha permesso di ampliare notevolmente i miei interessi, arrivando negli anni a collaborare con le più svariate testate giornalistiche online. Mi sono poi avvicinato alla stampa 3D, colpito dalle grandissime potenzialità di questa nuova tecnologia, che giorno dopo giorno mi hanno spinto a informarmi sempre più su quella che considero una vera rivoluzione che si farà presto sentire in tantissimi campi della nostra vita quotidiana.

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