Lanciato il primo assemblaggio satellitare in legno al mondo: il compensato può sopravvivere nello spazio?

Il primo satellite in legno al mondo è in arrivo, il WISA Woodsat finlandese. Gli esperti di materiali dell’ESA contribuiscono alla missione con una serie di sensori sperimentali e assistono i test pre-volo.

WISA Woodsat è un ‘CubeSat’ 10x10x10cm – un tipo di nanosatelliti costruito da scatole standard – ma con pannelli di superficie in compensato. Gli unici esterni non in legno di Woodsat sono barre angolari in alluminio utilizzate per la distribuzione dello spazio e un bastone per selfie in metallo.

La missione è stata avviata da Jari Makinen, scrittore e giornalista finlandese. Ha co-fondato una società chiamata Arctic Astronautics, che commercializza repliche completamente funzionanti di CubeSat pronti per l’orbita per scopi educativi, di formazione e hobby. «Mi è sempre piaciuto realizzare modellini di aeroplani, che includono molte parti in legno. Avendo lavorato nell’educazione spaziale, questo mi ha fatto chiedere: perché non spostiamo oggetti di legno nello spazio?»

WISA e Woodsat. Credito: Astronautica artica

«Quindi mi è venuta prima di tutto l’idea di far volare un satellite di legno nella stratosfera, su un pallone meteorologico. È successo nel 2017 con una copia in legno di KitSat. Dopo tutto è andato bene, abbiamo deciso di aggiornarlo e di metterlo effettivamente in orbita «Da lì. Il progetto è semplicemente raddoppiato: abbiamo trovato supporto commerciale e abbiamo ottenuto un posto sul lanciatore di elettroni da Rocket Lab in Nuova Zelanda».

Sensori ESA per inalazione dell’interno di Woodsat

Riccardo Rambini, Capo del Dipartimento di Fisica e Chimica dei Materiali dell’ESA, commenta: «Era un programma serrato, ma abbiamo accolto con favore l’opportunità di contribuire al carico utile di Woodsat in cambio di un aiuto nella valutazione della sua idoneità al volo.

«Il primo componente che lanceremo è il sensore di pressione, che ci permetterà di determinare la pressione locale nelle cavità a bordo della nave nelle ore e nei giorni successivi al lancio in orbita. Questo è un fattore importante per il funzionamento dei sistemi ad alta potenza. e antenne a radiofrequenza, perché piccole quantità di particelle nella cavità possono causare danni.

Rivelato il design WISA Woodsat. Credito: Astronautica artica

«Questo sensore è stato progettato per noi da Sens4 in Danimarca, che ha svolto un lavoro fantastico eliminando il suo design standard per adattarsi alle dimensioni limitate a bordo e ai limiti di potenza».

Bruno Brass, ESA Materials Engineer, aggiunge: «La cosa buona qui è che abbiamo finito per creare un dispositivo a basso costo che può trovare tutti i tipi di usi aggiuntivi, sia in orbita che a terra negli ambienti di test».

Accanto c’è una lampada a LED diretta con una fotoresistenza che rileva quando si accende. Ma la potenza del LED arriverà attraverso una plastica elettricamente conduttiva stampata in 3D chiamata polieteretere chetone, o in breve PEEK, aprendo la porta alla possibilità di stampare o persino collegamenti di dati direttamente all’interno dei corpi delle future missioni spaziali.

Il cuore tecnico dell’Agenzia spaziale europea: ESTEC, il Centro europeo di ricerca e tecnologia spaziale, a Noordwijk, nei Paesi Bassi. Credito: ESA-G. facchino

Orcun Ergincan, ESA Materials Engineer, commenta: «L’altro elemento è una microbilancia a cristalli di quarzo, che funge da strumento di monitoraggio altamente sensibile per la contaminazione, misurando eventuali depositi deboli su scala nanometrica provenienti dall’elettronica di bordo e dalle stesse superfici di legno. Contributo di OpenQCM in Italia, questa azienda sta anche costruendo una suite completa di circuiti stampati che ospita i tre dimostratori con sensori integrati.

Woodsat .compensato

Gli sponsor di Woodsat sono UPM Plywood of Finland, tra i più grandi produttori di compensato al mondo.

«Il materiale di base per il compensato è la betulla e usiamo praticamente la stessa cosa che usi in un negozio di ferramenta o per realizzare mobili», spiega Samuli Neiman, ingegnere capo di Woodsat e co-fondatore dell’astronautica.

Il laboratorio di materiali e componenti elettrici dell’ESA è composto da più di 20 strutture pilota personalizzate e centinaia di strumenti in totale, garantendo una selezione ottimale di componenti, materiali e processi elettrici per le missioni dell’ESA e i progetti all’aperto, tenendo conto delle sfide ambientali uniche coinvolte nella costruzione di spazio, oltre a indagare sui fallimenti per garantire che non si verifichino problemi simili nelle missioni future. Credito: ESA

«La differenza principale è che il normale compensato è troppo umido per gli usi aerospaziali, quindi mettiamo il nostro legno in una camera termica sottovuoto per asciugarlo. Quindi deponiamo anche lo strato atomico, aggiungendo uno strato molto sottile di ossido di alluminio, tipicamente utilizzato per incapsulare elettronica. Ciò dovrebbe ridurre eventuali fumi diversi dal legno desiderabile, noto come «degassamento» nel settore aerospaziale, proteggendo anche dagli effetti corrosivi dell’ossigeno atomico. Verificheremo anche altre vernici su alcune sezioni di legno».

Questa variante dell’ossigeno altamente reattivo è stata trovata ai margini dell’atmosfera – il risultato della disintegrazione delle molecole di ossigeno standard da parte della forte radiazione ultravioletta del sole – ed è stata scoperta per la prima volta quando ha mangiato coperte termiche sui primi voli dello space shuttle.

A Woodsat, gli ingegneri di ESA Materials stanno imbarcandosi su un sensore di pressione, testando le plastiche elettricamente conduttive e un bilanciamento di precisione dei cristalli di quarzo, tutto sullo stesso circuito stampato, oltre a testare le leghe a memoria di forma. Credito: ESA

I test pre-volo indicano che il satellite, che orbiterà a un’altitudine di 500-600 km in un’orbita polare sincrona con il sole, dovrebbe sopravvivere alla sua esposizione all’ossigeno atomico. Ma si prevede che il legno si scurisca a causa dei raggi ultravioletti della luce solare non filtrata.

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Un selfie stick in aereo

«Abbiamo un paio di fotocamere a bordo, una delle quali è allungata su un selfie stick per guardare il compensato e scattare foto per vedere come si comporta», aggiunge Jari. «Vogliamo vedere il cambiamento di colore, eventuali crepe, ecc.»

La progettazione e la fabbricazione del braccio della telecamera si è rivelata un esercizio interessante: lo scafo doveva essere piccolo perché poteva essere all’interno di un piccolo satellite di lancio, e quindi allungato il più possibile nello spazio.

Il nuovo LEOX dell’ESA, un impianto di orbita terrestre bassa, è stato lanciato per la prima volta nell’aprile 2017. Questo nuovo simulatore spara un laser per generare «ossigeno atomico» che si incontra solo in orbite basse e che è noto per corrodere le superfici dei satelliti. LEOX genera ossigeno atomico a livelli di energia equivalenti alla velocità orbitale – 7,8 km/s – per simulare il più fedelmente possibile l’ambiente spaziale. Può anche eseguire test con un flusso più elevato, risparmiando tempo e denaro per i test. L’ossigeno molecolare purificato viene iniettato in una camera a vuoto con un raggio laser pulsato focalizzato su di essa. Con un lampo viola ogni volta che il laser viene sparato, l’ossigeno viene convertito in un plasma caldo la cui rapida espansione è diretta lungo un ugello conico. Quindi si separa per formare un fascio di ossigeno atomico ad alta energia. La nuova struttura si trova nel Laboratorio di materiali e componenti elettrici, uno di un gruppo di laboratori presso il Centro tecnico dell’Agenzia spaziale europea nei Paesi Bassi, dedicato alla simulazione di ogni aspetto dell’ambiente spaziale. credito: ESA, CC BY-SA 3.0 IGO

«Il design è stato creato dalla società di ingegneria finlandese Huld, spingendo la stampa 3D ai suoi limiti», aggiunge Jari. «Per Huld, il progetto Woodsat ha già dimostrato di essere un importante punto di ingresso anche per altri progetti di meccanica spaziale».

Oltre alle telecamere e alla serie di sensori donati dall’Agenzia spaziale europea, Woodsat trasporterà anche un carico utile per radioamatori che consentirà agli hobbisti di trasmettere segnali radio e immagini in tutto il mondo. Il downlink dati dal ponte radio «LoRa» comprende l’acquisto di una «stazione di terra» ad un costo inferiore a 10 euro.

«Alla fine, Woodsat è semplicemente un bellissimo oggetto in termini di design tradizionale nordico e semplicità, dovrebbe essere molto interessante vederlo in orbita», continua Gary. «Speriamo che possa aiutare a ispirare le persone ad aumentare l’interesse per i satelliti e il settore spaziale come qualcosa che tocca già tutte le nostre vite e che crescerà di dimensioni in futuro».

Il lancio di Woodsat è previsto entro la fine di quest’anno.