I successi tecnologici a bordo di Biomass

Come è ben noto agli ingegneri che si occupano di missioni spaziali, dietro a ogni lancio ci sono migliaia di ore di test e analisi necessarie a far sì che un veicolo possa svolgere il compito per il quale è stato progettato.

Il satellite europeo Biomass, che lo scorso 23 giugno ha rilasciato i suoi primi dati scientifici, non ha fatto eccezione. La sonda, che trasporta un solo strumento scientifico, ha un compito da svolgere nell’arco di cinque anni: eseguire, nel vero senso della parola, un censimento di tutti gli alberi della Terra al fine di darci più informazioni su come il cambiamento climatico e l’azione dei parassiti, stanno colpendo le foreste del nostro pianeta.

Per compiere il suo lavoro Biomass, fa affidamento sul suo radar ad apertura sintetica (Synthetic Aperture Radar – SAR) in banda P. Si è trattata fra l’altro, della prima volta nella storia in cui un radar in banda P è stato lanciato a bordo di un satellite.

Come detto, il radar è l’unico vero strumento scientifico della missione, tuttavia il veicolo spaziale ospita diversi progetti di ricerca e sviluppo realizzati dall’Agenzia spaziale europea (ESA) nel corso degli anni. Da ricerche primordiali su nuove tipologie di antenne, alla telecamera utilizzata a bordo, Biomass è stato una forza trainante dietro a diversi sviluppi rivoluzionari appartenenti ai Technology Programme dell’agenzia.

Il lancio di Biomass segna un capitolo fondamentale nell’esplorazione delle foreste mondiali, combinando tecnologie innovative e ricerche rivoluzionarie provenienti dall’agenzia. Grazie a questa missione sarà possibile ottenere i dati sugli accumuli di carbonio totale, sulla salute delle foreste e sugli effetti generali del cambiamento climatico.

Dietro a tutti questi raggiungimenti, vi è un’eredità di innovazioni tecnologiche e sinergie programmatiche che stanno plasmando il futuro dell’esplorazione spaziale.

Un’antenna precisa e performante

Una delle più rimarchevoli caratteristiche della missione è la massiccia antenna estendibile da 12 metri di diametro, che funge da riflettore radar. Questa tecnologia permette il preciso sfruttamento dei segnali radar a onde lunghe della banda P, al fine di ottenere i preziosi dati scientifici.

Una delle attività di base dell’ESA, il Technology Development Element (TDE), ha lavorato con l’azienda tedesca Large Space Structures, per sviluppare il primo riflettore europeo a rete per fasci radio. Il TDE, è un programma che ha il compito di studiare idee innovative in linea con gli obiettivi dell’agenzia.

Il progetto AMPER (Advanced techniques for mesh reflector with improved radiation pattern performance) di ESA, ottimizzerà le comunicazioni e le osservazioni satellitari. In pratica la superficie della rete viene modellata di continuo da appositi dispositivi, per migliorarne la performance (più o meno come le ottiche adattative dei telescopi terrestri). Questa soluzione andrà a colmare questa lacuna tecnologica per l’Europa, identificata in origine nelle prime fasi della progettazione della missione Biomass.

Lo sviluppo dell’antenna riflettente estendibile doveva però superare diverse sfide; gli ingegneri hanno dovuto assicurarsi che l’antenna si sarebbe dispiegata correttamente nello spazio, affrontandone nel contempo gli estremi fattori ambientali. La soluzione è stata trovata in una rete metallica placcata d’oro, dello spessore di 20 micron, la quale forma la vera e propria superficie riflettente.

Alcune attività dell’ambito TDE sono state precorritrici della tecnologia prescelta per la realizzazione della rete, quindi si è provveduto a testarne la performance meccanica, quella ambientale e quella vibrazionale.

Il successo della spinta tecnologica avviata dalla necessità di un’antenna dispiegabile per Biomass, ha portato allo studio per l’European Large Deployable Reflector, il quale ha sfruttato diversi sviluppi relativi al progetto AMPER e al programma TDE per sviluppare una grande antenna apribile che verrà usata a bordo della missione Copernicus Imaging Microwave Radiometer (CIMIR), il cui lancio è pianificato per il 2029.

Le conoscenza acquisita dagli sviluppi di questa tipologia di antenna, viene ora impiegata per differenti tipi di missioni, incluse quelle dei CubeSat, i quali hanno una disponibilità energetica insufficiente per poter estendere delle grandi antenne. Infatti, al fine di limitare i rischi inerenti lo sviluppo di satelliti complessi dotati di antenne dispiegabili, il General Support Technology Programme (GSTP) sta proseguendo molti dei progetti avviati in origine per soddisfare l’esigenza di Biomass, per riadattarli ai CubeSat.

Tramite la combinazione delle competenze dei partner industriali e accademici, nonché delle agenzie spaziali governative degli Stati membri, l’ESA ha superato molti dei principali ostacoli tecnici incontrati all’inizio della progettazione dell’antenna estendibile di Biomass. Questo ha portato allo sviluppo di una tipologia di antenna che attualmente viene impiegata per migliorare le comunicazioni satellitari e le osservazioni della Terra.

Fotocamere miniaturizzate

Abbiamo detto che il carico principale di Biomass è il radar ad apertura sintetica in banda P con la sua particolare antenna riflettente. Tuttavia il satellite europeo trasporta anche alcune tecnologie allo stato dell’arte.

La fotocamera MCAMv3, realizzata tramite il GSTP, è stata progettata per fornire immagini della superficie terrestre alta risoluzione. Essa ha un ruolo cruciale nel monitoraggio della salute delle foreste, tracciando i processi di cattura e stoccaggio del carbonio contenuto nell’atmosfera come CO₂ da parte delle foreste stesse, al fine di stabilire l’impatto del cambiamento climatico. La caratteristica fondamentale di questa fotocamera è la sua capacità di catturare immagini dettagliate anche in condizioni difficili, fornendo dati vitali che aiuteranno gli scienziati a comprendere le complessità degli ecosistemi forestali.

Il progetto ha visto prima la realizzazione del modello ingegneristico (EM) per una nuova generazione di fotocamere miniaturizzate (MCAM versione 3), basato sulla tecnologia posseduta dall’azienda svizzera Micro-Cameras & Space Exploration SA (MCSE). Le precedenti generazioni della fotocamera erano già state testate in diverse applicazioni spaziali.

Le particolarità di questa fotocamera sono il basso consumo energetico, la sua modularità, la sua capacità di resistere elle estreme condizioni dello spazio, e infine, le dimensioni e il peso ridotti. Tutto ciò la rende molto utile per essere impiegata nei piccoli satelliti e nelle missioni con esigenze particolari, come quella di Biomass.

Nitruro di gallio

Una delle più eccitanti innovazioni presenti su Biomass è l’utilizzo della tecnologia al nitruro di gallio (GaN). Il GaN è un semiconduttore che offre dei significativi vantaggi rispetto ai componenti basati sul silicio; esso ha una migliore efficienza energetica, dei processi di lavorazione più veloci e una migliore resistenza alle radiazioni. Il satellite Biomass trae beneficio dalla capacità del GaN di affrontare elevati voltaggi ed elevate temperature, per garantirsi una maggiore affidabilità nell’elettronica di gestione dell’alimentazione elettrica e nei sistemi per le comunicazioni.

Tramite l’iniziativa GaN Reliability Enhancement and Technology Transfer Initiative (GREAT2), l’Agenzia spaziale europea ha collaborato con un consorzio di istituti di ricerca, società di progettazione e produttori industriali per sviluppare componenti in GaN di qualità adatta all’impiego spaziale.

I risultati di questa collaborazione sono i componenti usati negli amplificatori di potenza a stato solido del sistema radar di Biomass, i quali hanno sostituito gli ingombranti e meno efficienti tubi ad onda progressiva. Senza la tecnologia GaN, l’innovativo sistema radar della missione non si sarebbe potuto realizzare nella sua forma corrente.

Questa tecnologia sta già rivoluzionando i sistemi di comunicazione satellitare, permettendo una trasmissione di dati più veloce e una maggiore flessibilità della missione. Verrà inoltre usata nella seconda generazione di satelliti Galileo e in altre future missioni dedicate all’osservazione della Terra.

Tecnologie innovative per il futuro dell’esplorazione spaziale

Le tecnologie sviluppate per le esigenze di Biomass avranno delle implicazioni durature, non solo per il monitoraggio delle foreste, ma anche per l’esplorazione spaziale in generale, L’integrazione della tecnologia al nitruro di gallio e dei sistemi di imaging avanzati fungerà da modello per le missioni del futuro, guidando lo sviluppo di sistemi spaziali più efficienti, potenti e sostenibili.

I progressi nelle tecnologie di produzione delle antenne infine, hanno aperto la strada ad una solida industria europea che prima non esisteva, infine a lungo termine, le innovazioni acquisite dal progetto Biomass garantiranno al Vecchio Continente il posto in prima fila nell’esplorazione spaziale.

Fonte: ESA