MarCO fa da apripista per l’impiego di CubeSat in missioni interplanetarie

Un tecnico al lavoro su uno dei due CubeSat gemelli MarCO. Credits: NASA/JPL-Caltech

Il Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA si è cimentato nel “lancio lungo” di CubeSat oltre l’orbita terrestre bassa: i gemelli Mars Cube One (MarCO) sono le prime sonde di questo tipo a operare nello spazio profondo. È una missione a tutti gli effetti pionieristica, da cui trarre insegnamenti e potenzialmente in grado di influenzare l’attuale concezione di missioni robotiche nel sistema solare.

I CubeSat sono una classe di sonde spaziali di piccole dimensioni standardizzate, con una forma modulare composta da una o più unità cubiche di 10 centimetri di lato. I MarCO sono nello specifico due 6U (significa che le loro dimensioni sono simili a quelle di una scatola di scarpe), e sono stati lanciati a maggio 2018 come payload secondario dell’Atlas V che ha inviato la missione InSight su Marte. Soprannominati WALL-E ed EVE, la loro missione è stata quella di ritrasmettere la telemetria durante la discesa e l’atterraggio di InSight al controllo missione a Terra.

Il trasferimento verso Marte delle due sonde non è stato privo di difficoltà. Durante questi sette mesi, uno dei due CubeSat ha sofferto una perdita di propellente; inoltre, entrambi i MarCO hanno momentaneamente perso contatto con il controllo missione quando Marte stesso ha letteralmente accecato i loro sensori di determinazione dell’assetto (sensori di stelle, in inglese star tracker). L’obiettivo primario della missione è stato ad ogni modo completato il 26 novembre 2018, mentre InSight toccava il suolo di Marte. Nel processo, la missione da 18,5 milioni di dollari (a fianco del miliardo di dollari di budget per InSight, attualmente operativa su Marte) ha dimostrato che i CubeSat possono essere impiegati con successo anche per missioni nello spazio profondo.

Illustrazione della missione MarCO. Credits: NASA.

Riporta Andrew Klesh del JPL, capo ingegnere della missione in un’intervista a TMRO, che l’agenzia ha utilizzato la luce solare riflessa sull’antenna ad alto guadagno di MarCO-B per aiutare a ridurre il consumo di propellente durante le operazioni di de-saturazione delle ruote di reazione, in modo da sopperire alla perdita. Durante il sorvolo finale di Marte, i CubeSat hanno peraltro raggiunto il loro obiettivo secondario di fotografare il pianeta rosso: foto che, secondo Klesh, incoraggerà molti a progettare altri CubeSat per missioni interplanetarie.

I MarCO sono rimasti in contatto diverse settimane oltre l’atterraggio di InSight. Un tentativo successivo di ristabilire il contatto è stato vano, inducendo la NASA a porre formalmente fine alla missione ad inizio 2020.

Rappresentazoione artistica del rilascio di un MarCO dallo stadio superiore dell’Atlas V. I due CubeSat sono stati lanciati come co-passeggeri della missione Insight. Credits NASA.

Basso costo, ma non basso sforzo

I CubeSat hanno il vantaggio di essere relativamente economici, considerando che per la loro progettazione e realizzazione viene solitamente privilegiato l’utilizzo di componenti e prodotti “preconfezionati” (off the shelf), già disponibili e con dimostrato retaggio in volo. Tuttavia, un CubeSat progettato per una missione nello spazio profondo richiede componenti più durevoli e performanti rispetto alle loro controparti commerciali – tipicamente utilizzate in applicazioni LEO. Pertanto, la prospettiva di andare oltre l’orbita terrestre bassa spinge verso una nuova ondata di sviluppi e innovazioni.

Per MarCO, il JPL ha in effetti dovuto potenziare e riqualificare un certo numero di prodotti commerciali. Tra gli altri, il sistema di determinazione e controllo dell’assetto, costruito da BCT e Vacco, ha richiesto un aggiornamento hardware e software che permettesse di operare nello spazio profondo. Tra le altre cose, le sonde devono essere infatti in grado di navigare senza fare affidamento a un ricevitore GPS, evidentemente fuori portata una volta lasciata la Terra. Inoltre, il livello di radiazione presente nello spazio profondo è ben più severo rispetto all’orbita bassa, richiedendo di conseguenza componenti elettronici più resistenti. Su MarCO, ciò si è anche tradotto nell’aggiornamento del computer di volo sviluppato da AstroDev LLC.

Forse il più interessante sviluppo ingegneristico per i MarCO consiste, però, in un’innovativa antenna pieghevole ad alto guadagno a misura di CubeSat. Di tipo reflectarray, l’antenna è stata necessaria al conseguimento dell’obiettivo principale della missione, avendo avuto il compito di ritrasmettere i dati di InSight da una distanza di un centinaio di milioni di chilometri dalla Terra. La particolarità delle antenne reflectarray è quella di replicare il comportamento di un’antenna parabolica utilizzando però una superficie piana: ciò consente al dispositivo di avere un ingombro minimo quando ripiegato durante la fase di lancio, caratteristica essenziale per l’impiego su un CubeSat.

Foto scattata da MarCO-B durante il sorvolo di Marte. Sulla destra è visibile l’elemento riflettore dell’antenna pieghevole. Credits: NASA/JPL-Caltech.

CubeSat europei da spazio profondo

Anche ESA apprezza il basso costo di sviluppo di una missione di tipo CubeSat: cinque progetti europei saranno a loro volta destinati a spingersi al di là dell’orbita bassa terrestre, con obiettivi la Luna e alcuni asteroidi. Secondo Roger Walker, capo della CubeSat Systems Unit dell’ESA, questo tipo di sonde potrebbe ridurre di un ordine di grandezza il costo dell’esplorazione del sistema solare.

Tuttavia, secondo Walker, esiste un’importante opportunità di ulteriore perfezionamento in termini di costi nella fase operativa. Infatti, i costi necessari per monitorare e comandare una sonda spaziale sono pressoché indipendenti dalle dimensioni della sonda stessa.

C’è da dire che l’idea di ridurre la dipendenza dei satelliti dal segmento di terra non è del tutto nuova. Si veda l’esempio dei satelliti della serie PROBA (Project for On-Board Autonomy), i quali fanno un largo uso di funzioni automatiche nel tentativo di scorporare parte delle operazioni normalmente affidate all’operatore a terra. Il “concetto CubeSat” sta però spingendo al limite questo sforzo e portando all’estremo l’automazione delle operazioni e la semplificazione delle missioni.

In particolare, il CubeSat M-ARGO (Miniaturised Asteroid Remote Geophysical Observer) includerà un esperimento che potrebbe permettergli di navigare triangolando la propria posizione grazie all’osservazione dei pianeti, riporta Walker a SpaceNews. «Ci permetterà di doverci affidare meno al tracciamento della posizione della sonda effettuato da stazioni di terra» dice Walker. «Il minor costo consente pertanto di assumere rischi più alti e concentrarci di più sugli aspetti innovativi, i quali, se dimostrati su missioni CubeSat, abbasseranno i costi di missioni più importanti anche in termini di operazioni».

M-ARGO è un 12U previsto per un lancio tra il 2023 ed il 2025, e dovrebbe essere il primo CubeSat a sorvolare un asteroide. Il budget è di 25 milioni di euro, di cui all’incirca la metà sono dedicati alle operazioni, e la missione è attualmente in fase di design preliminare.

Come MarCO, anche M-ARGO monterà un reflectarray pieghevole per la comunicazione in banda X con la Terra. Questo CubeSat avrà inoltre un peculiare sistema SADM di puntamento attivo dei pannelli solari (Solar Array Drive Mechanism), e un’elettronica altamente integrata resistente alle radiazioni (radiation hardened). Precursori dello sviluppo di questa missione e delle capacità di autonomia di bordo, sono le missioni LUMIO e VMMO, due CubeSat 12U destinati a due diverse missioni attorno alla Luna. Questi CubeSat hanno l’ambizioso obiettivo di completare la fase di commissionamento in autonomia, senza il supporto degli operatori da Terra.

Sempre di casa ESA lo sviluppo di altri due CubeSat che dovrebbero sorvolare un asteroide, la coppia APEX e Juventas, i quali beneficeranno di un passaggio a bordo dell’“astronave madre” Hera, per poi venire rilasciati direttamente sopra l’obiettivo. I due CubeSat costituiranno anch’essi un passo in avanti in termini di autonomia nelle operazioni, poiché si prevede di mantenere al minimo la frequenza dei contatti con il controllo missione a terra. In effetti, le orbite in cui verranno rilasciati i due CubeSat sono pensate per ridurre al minimo le operazioni di mantenimento orbitale (station keeping), e le sonde verranno contattate sporadicamente, con un intervallo di uno-due giorni l’uno dall’altro. Per confronto, si pensi che i CubeSat operanti in orbita bassa terrestre beneficiano della possibilità di avere frequenti contatti a distanza di poche ore l’uno dall’altro.

La missione Hera, compresi i due CubeSat, è attualmente in fase di design preliminare e il lancio è previsto per il 2024.

Fonti: SpaceNews, JPL, ESA (M-ARGO, HERA CubeSats, varie).

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