Progettazione di un nanosatellite per un esperimento biologico con la produzione personalizzata

SpaceDot ha recentemente incontrato Xometry per raccontarci di AcubeSAT, un nanosatellite in grado di ospitare un esperimento biologico su larga scala. Il team di studenti ha anche spiegato come Xometry li abbia aiutati a reperire componenti personalizzati e di alta qualità in poche settimane.
  • Settore: produzione aerospaziale
  • Processi di produzione: lavorazione CNC e stampa 3D
  • Obiettivo: ottenere parti leggere e di alta qualità con materiali idonei al settore
  • Soluzione: le illimitate capacità di produzione offerte della rete Xometry, insieme al Motore di Quotazione Istantanea, rendono il processo di fornitura delle parti molto più rapido e semplice da gestire

Nel 2019, il team SpaceDot dell’Università Aristotele di Salonicco, in Grecia, ha accettato un’importante sfida: creare un nanosatellite integrabile in un piccolo veicolo spaziale per condurre esperimenti ad alto rendimento nel campo della biologia aerospaziale. Per sondare l’idea, il team ha deciso di sviluppare una piattaforma Proof-of-Concept e utilizzarla per studiare gli effetti della microgravità e della radiazione cosmica sulle cellule di lievito. Da ciò è nato il progetto multidisciplinare AcubeSAT.

Il progetto ha visto la partecipazione di ambiziosi studenti e ricercatori nel campo delle scienze biologiche e delle discipline scientifico-tecnologiche. Tuttavia, all’università mancava un dipartimento dedicato agli studi spaziali dove il gruppo potesse confrontarsi con gli esperti del settore o condurre esperimenti. Di conseguenza, per ricevere il sostegno necessario per le sue attività aerospaziali, il team ha deciso di partecipare alle selezioni per un programma lanciato dall’ESA, l’Agenzia spaziale europea. SpaceDot, tra molti altri team universitari europei con lo stesso obiettivo di realizzare una missione spaziale, è infine stato scelto come concorrente nella terza edizione del programma “Fly Your Satellite 3!” dell’Ufficio Educazione dell’ESA. 

Nanosatellite AcubeSAT: dove lo spazio incontra la biologia

George Pliakis, capo progetto di SpaceDot, spiega che l’idea di creare un esperimento biologico in un nanosatellite è nata dopo aver scoperto che, su 2500 veicoli spaziali inviati nello spazio, meno di 10 venivano destinati allo studio di sistemi biologici, principalmente per via delle complessità di realizzazione.

Il nanosatellite è costituito da un recipiente pressurizzato prodotto in-house contenente un Lab-On-a-Chip microscopico. Questa piastrina di forma rettangolare è un dispositivo contenente piccoli canali intricati e interconnessi che consentono di manipolare volumi infinitesimi di liquidi con estrema precisione. Il chip era suddiviso in 100 piccole celle contenenti cellule di lievito con DNA di struttura simile a quella umana.

3D design of the nanosatellite with an integrated laboratory
Design 3D del nanosatellite con un laboratorio integrato

Angelos Mavropulos, coordinatore del sottosistema strutturale del satellite, spiega che l’esperimento si basa sul chip microfluidico: un dispositivo costituito da microcanali connessi tra loro in modo da consentire il passaggio di fluidi.

Il chip microfluidico permetterà al team di analizzare gli effetti esercitati dalla radiazione e dalle condizioni di microgravità dell’orbita terrestre bassa sulle cellule. Ogni cellula contiene una particolare proteina, della quale verranno studiate l’evoluzione e il livello di produzione. Al contempo, un circuito stampato a LED a forma di anello illuminerà le cellule con una luce blu. Più elevato sarà il livello di produzione della proteina, più le cellule diventeranno fluorescenti reagendo alla luce.

Closeup of the microfluid chip Ⓒ SpaceDot
Primo piano del chip microfluidico Ⓒ SpaceDot

“Il tutto è piuttosto semplice”, spiega Mavropulos. “Abbiamo installato una fotocamera ad alte prestazioni che acquisisce foto delle cellule, così siamo in grado di valutarne il grado di fluorescenza e trarre delle conclusioni nel giro di due mesi”, aggiunge. Inoltre, per confrontare l’influenza delle condizioni terrestri sulle cellule con quelle spaziali, lo stesso esperimento è attualmente in corso anche sulla Terra, con le stesse impostazioni. Il test verrà ripetuto a tre punti temporali distinti nel corso della missione.

Un unico modello protoflight destinato al volo

“Nel settore dell’ingegneria aerospaziale esistono principalmente due approcci. Il primo prevede un modello di qualifica e un modello di volo. Il secondo prevede invece un prototipo di volo, il cosiddetto protoflight, ovvero una combinazione dei due modelli citati”, spiega Mavropulos. SpaceDot ha scelto il secondo approccio, perché è un’opzione più rapida e conveniente.

Se il primo tentativo di lancio del satellite fallisse, l’effetto sul progetto potrebbe essere disastroso. Tuttavia, con piena consapevolezza dei potenziali rischi, il team SpaceDot ha creato una copia carbone del satellite che verrà inviato in orbita. Il team di ingegneria ha analizzato a fondo ogni dettaglio del progetto: dai componenti meccanici ai chip microfluidici, fino al sistema di comunicazione. Nella fase successiva sono state commissionate le varie parti e hanno avuto inizio le sperimentazioni delle condizioni ambientali.

L’ultimo test è stato condotto a fine dicembre 2022 in Belgio ed è stato un successo. Grazie a questo risultato, ora il team ha una prova più concreta che il nanosatellite AcubeSAT potrà volare nello spazio.

Some of the SpaceDot team members in Belgium to test the antenna deployment module
Alcuni membri del team SpaceDot in Belgio, fotografati durante i test del modulo di dispiegamento dell’antenna

Processi di lavoro rigorosi e tracciabili

Oltre alle difficoltà legate alla gestione di un team remoto, SpaceDot ha l’arduo compito di garantire che tutti i componenti personalizzati del satellite possano essere prodotti e integrati perfettamente tra loro in una struttura relativamente piccola. Una responsabilità non da poco, visto che il satellite deve contenere i dispositivi per le telecomunicazioni informatiche, gli alimentatori, nonché l’intero laboratorio biologico ed elementi di sostegno strutturale.

“Nel settore aerospaziale bisogna seguire processi già consolidati e assicurarsi che tutto ciò che facciamo sia ripetibile e tracciabile”, aggiunge Eleftheria Chatziargyriou, ingegnera addetta al sottosistema di comunicazione del progetto. “Anche questa è stata una grande sfida per il progetto AcubeSAT”.

Fornitura rapida di parti di alta qualità con Xometry

Per ottenere parti con tolleranze ridotte, realizzate in materiali per uso aerospaziale e in grado di essere assemblate con estrema precisione, garantendo la totale conformità ai requisiti del progetto, SpaceDot doveva trovare fornitori all’altezza. Xometry era uno di questi.

Non potendosi rivolgere ai produttori locali, che non accettavano piccole commissioni, il team ha ottenuto tutti i componenti necessari grazie ai servizi di produzione di Xometry. “Xometry è la soluzione ideale per la fornitura di parti nel settore aerospaziale”, afferma Mavropulos.

Aluminium CNC machined frame of the antenna produced by Xometry
Telaio dell’antenna, realizzato in alluminio tramite lavorazione CNC da Xometry
PEEK CNC machined features attached to the antenna manufactured by Xometry
Componenti fissati all’antenna, realizzati in PEEK tramite lavorazione CNC da Xometry

La capacità di Xometry di fornire parti in alluminio 6082 e PEEK (polietere etere chetone) per il modulo di dispiegamento dell’antenna ha conquistato il team. SpaceDot era davvero soddisfatto dei componenti in metallo e plastica ricevuti. “Il nostro meccanismo contiene moltissime viti e ognuna deve trovarsi in una posizione ben precisa. Il disallineamento di una sola vite pregiudicherebbe l’intera linea di assemblaggio. Ma alla fine tutto è andato per il verso giusto durante i test”, afferma Mavropulos.

Il Motore di Quotazione Istantanea™ di Xometry è stato estremamente utile durante la fase di progettazione. Il team non ha dovuto fare altro che caricare i design 3D e i disegni tecnici sulla piattaforma online. Gli algoritmi basati sull’intelligenza artificiale forniscono una stima istantanea dei costi, il che consente di applicare alcune modifiche finali al design e aggiornare il preventivo in pochi clic. “Il team di Xometry ha risposto immediatamente e ci ha aiutato a verificare il design”, aggiunge Mavropulos.

Assembling the different antenna parts 
Assemblaggio delle varie parti dell’antenna

Lancio del satellite programmato per il 2024

Il prossimo obiettivo del progetto AcubeSAT sarà il lancio del satellite, in programma nel 2024. Si stima che l’intera missione durerà circa un anno e mezzo e sarà dedicata alla raccolta di una quantità sufficiente di dati con il chip microfluidico e all’acquisizione di immagini dell’esperimento.

Nei prossimi mesi, il team SpaceDot inizierà ad assemblare il nanosatellite e svolgerà un altro ciclo di test prima del lancio ufficiale.

Informazioni su SpaceDot

AcubeSAT è un progetto multidisciplinare di SpaceDot, un team formato da studenti e ricercatori dell’Università Aristotele di Salonicco e di altri centri accademici. La missione spaziale è resa possibile grazie al sostegno dell’Ufficio Educazione dell’Agenzia spaziale europea (ESA). Il team è uno dei tre team selezionati per il programma ESA “Fly Your Satellite! 3”.

Visita il sito di AcubeSAT: https://acubesat.spacedot.gr/

Contatta il team: info@spacedot.gr 

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