La mia ricerca riguarda un complesso meccanismo meccatronico, utilizzato per la prima volta nella missione spaziale LISA Pathfinder (2015-2017). In seguito alla vittoria del Premio Italiano Meccatronica 2021, ho avuto la fortuna di vedere riconosciuti i miei sforzi, ma non avrei potuto svolgere il mio lavoro se non fosse per i numerosi colleghi ricercatori anch’essi impegnati nei vari aspetti della missione. In particolare, ringrazio il professor Daniele Bortoluzzi del Dipartimento di Ingegneria industriale UniTrento e i colleghi di dottorato Andrea Zambotti ed Edoardo Dalla Ricca. Il mio lavoro ha beneficiato anche di diverse collaborazioni: oltre al Laboratorio Applicazioni spazio del Dipartimento di Ingegneria industriale dell’Università di Trento, l’Agenzia Spaziale Italiana, OHB Italia S.p.A. e AIRBUS Space and Defence.
La missione
LISA Pathfinder è stata una missione spaziale ideata per testare alcune tecnologie fondamentali per la rilevazione di onde gravitazionali. Tali tecnologie verranno utilizzate in una futura missione, chiamata LISA (Laser Interferometer Space Antenna), il cui lancio è previsto per il 2034. LISA è un progetto dell’ESA (European Space Agency), a cui collaborano anche altre agenzie spaziali, e sarà il primo osservatorio di onde gravitazionali basato nello spazio.
Lo spazio aperto è infatti un ambiente preferenziale per osservare il nostro universo, visto che è più “tranquillo” dell’ambiente terrestre: si pensi per esempio all’assenza di terremoti.
Sebbene le onde gravitazionali siano già state rilevate da osservatori terrestri, LISA permetterà di rilevare onde gravitazionali con caratteristiche diverse, generate da eventi cosmici di grande interesse scientifico, come i sistemi binari di buchi neri massicci.
La missione LISA Pathfinder è stata un grande successo. Tuttavia, non sono mancate alcune criticità. In particolare, uno dei meccanismi principali della missione, il meccanismo GPRM (Grabbing Positioning and Release Mechanism), non ha funzionato come previsto. Tale meccanismo è stato progettato per rilasciare una massa cubica di oro e platino contenuta nel satellite. In altre parole, avrebbe dovuto separare il cubo metallico da qualsiasi contatto con il satellite, facendo in modo che fluttuasse indisturbato all’interno di uno speciale “housing”, un contenitore poco più grande della massa stessa.
Secondo le analisi pre-missione, l’operazione di rilascio sarebbe dovuta avvenire mantenendo la massa praticamente ferma: la massima velocità consentita al rilascio era di 5 µm/s, il che significa che la massa avrebbe impiegato almeno 3 minuti e 20 secondi per fare un millimetro. Come anticipato, però, il meccanismo GPRM non ha funzionato come avrebbe dovuto, e ha rilasciato la massa imprimendole una velocità ben maggiore di quella consentita, il che ha costretto ad utilizzare delle strategie di rilascio di riserva.
Il mio lavoro è stato quello di indagare le cause di questa dinamica inattesa. Studiare le prestazioni del GPRM è di fondamentale importanza perché il suo impiego è previsto anche per la futura missione LISA.
La ricerca
La mia ricerca si è svolta in due fasi. La prima fase è stata l’analisi dei dati di volo, ovvero i dati della telemetria di bordo del satellite. Estrarre informazioni utili dai dati è stato un processo impegnativo, poiché i sensori di LISA Pathfinder non erano progettati per analisi di questo tipo.
La seconda fase è stata quella di ricreare a terra la dinamica osservata in volo, sfruttando un setup sperimentale del Laboratorio di Applicazioni spazio del Dipartimento di Ingegneria industriale. Il setup, che è stato leggermente riadattato allo scopo, simula le condizioni presenti nel satellite quando è in orbita. Una versione sperimentale del meccanismo GPRM è stata posizionata all’interno di un contenitore a temperatura controllata, a una pressione di circa 10-7 mbar, ovvero un deci-miliardesimo di quella terrestre. Il tutto è stato isolato dal suolo attraverso una piattaforma antivibrante.
Il setup ha permesso di studiare le oscillazioni del meccanismo GPRM che si innescano quando la massa viene rilasciata. Confrontando i dati sperimentali con i dati di volo, si è visto che quello che è successo durante la missione è compatibile con un urto causato da tali oscillazioni.
Sviluppi futuri
Il prossimo passo sarà quello di dare una risposta alla domanda: com’è possibile migliorare il meccanismo GPRM per utilizzarlo in modo affidabile nella missione LISA, senza stravolgerne il design? Per rispondere al quesito, io e i miei colleghi stiamo avviando una nuova collaborazione con l’azienda OHB Italia, che è stata incaricata di riprogettare i meccanismi GPRM in vista di LISA. L’obiettivo, in questa fase, è di avviare la creazione di prototipi da testare e validare, anche grazie al setup sperimentale del Laboratorio di Applicazioni spazio.
Inoltre, sto mettendo a punto un algoritmo che mira ad estrarre nuove informazioni dai dati di volo, che potrebbero essere interessanti per la comunità scientifica vista la peculiarità dell’esperimento condotto a bordo di LISA Pathfinder.
Davide Vignotto ha vinto il Premio Italiano Meccatronica 2021 per il progetto “Analisi sperimentale e modellazione analitica di un meccanismo di rilascio per una missione spaziale”, elaborato durante il dottorato di ricerca in Materiali, meccatronica e ingegneria dei sistemi (advisor professor Daniele Bortoluzzi) promosso dal Dipartimento di Ingegneria industriale dell’Università di Trento. Il progetto è nato dalla collaborazione tra il Laboratorio di Space Applications dell’Università di Trento e l’azienda OHB Italia S.p.A.
Il Premio Italiano Meccatronica è organizzato da Unindustria Reggio Emilia, in collaborazione con Nòva – Il Sole 24 Ore e con la co-organizzazione di Community. Nato per promuovere la cultura della tecnologia meccatronica nei diversi settori dell'industria meccanica nazionale, è giunto alla quindicesima edizione.
Space missions and gravitational waves
Davide Vignotto, winner of the 2021 Italian Mechatronics Award, talks about his project
by Davide Vignotto
PhD in Materials, Mechatronics and Systems Engineering, he is currently a postdoc researcher at the Physics Department of the University of Trento.
The focus of my research work is an articulated mechatronic mechanism that was used for the first time in the LISA Pathfinder space mission (2015-2017). Receiving the Italian Mechatronics Award 2021 was a recognition of my efforts, but I would not have been able to achieve these results without my fellow researchers, who are also involved in other parts of the mission. I would like to thank, in particular, professor Daniele Bortoluzzi of the Department of Industrial Engineering of UniTrento, and my PhD colleagues Andrea Zambotti and Edoardo Dalla Ricca. My work has also benefited from several collaborations: with the Space Applications Laboratory of the Department of Industrial Engineering of the University of Trento, the Italian Space Agency, OHB Italia SpA, and Airbus Defence and Space.
The mission
LISA Pathfinder was a space mission designed to test some fundamental technologies to detect gravitational waves. These technologies will be used in another mission, LISA (Laser Interferometer Space Antenna), which is scheduled to launch in 2034. LISA is a mission led by ESA, the European Space Agency, with contributions from other space agencies, and will be the first space-based gravitational wave observatory.
Outer space is in fact the perfect location to observe our universe, since it is quieter than Earth: think, for example, that there are no earthquakes.
Gravitational waves have already been detected by ground-based observatories, but LISA will be able to detect gravitational waves with different characteristics, generated by cosmic events of great scientific interest, such as binary systems of massive black holes.
The LISA Pathfinder mission was a great success, but not everything went smoothly. In particular, one of the mission's primary mechanisms, the Grabbing Positioning and Release Mechanism - GPRM, did not work as expected. This mechanism was designed to release a cube of gold and platinum on board of the spacecraft. It should have kept the metal cube isolated from any surrounding body in the satellite, allowing it to free float in its "housing", a container slightly larger than the mass itself.
Based on pre-launch analysis, the release should have taken place keeping the mass practically still: the maximum velocity allowed at the release was 5 µm/s, which means that the mass would have taken at least 3 minutes and 20 seconds to cover one millimeter. The GPRM mechanism, however, did not work as it should have, and released the mass giving it a much greater velocity, so back-up release strategies had to be adopted.
In my work, I have investigated the causes of this unexpected dynamics. Studying how the GPRM performs is of fundamental importance because it will be on board of the future LISA mission too.
The research work
My research developed in two stages. In the first phase, I analyzed the flight data, that is the telemetry data from the satellite. Extracting meaningful information from these data was not easy, because the LISA Pathfinder's sensors were not designed for this purpose.
In the second phase, I recreated on Earth the dynamics observed in flight, using an experimental setup of the Space Applications Laboratory of the Department of Industrial Engineering. The setup, which has been slightly rearranged for the purpose, simulates the conditions in the satellite when it is in orbit. An experimental version of the GPRM was placed inside a temperature-controlled container, at a pressure of about 10-7 mbar, one ten billionth of Earth’s atmosphere. The setup was mounted on an anti-vibration platform to isolate it from the ground.
The setup made it possible to study the GPRM oscillations, which are triggered when the test mass is released. By comparing the experimental data and the flight data, I found that what occurred during the mission is compatible with an impact caused by these oscillations.
Future developments
The next step will be to answer this question: how can we upgrade the GPRM to reliably use it in the LISA mission without completely altering its design? To answer this question, my colleagues and I are about to start a new collaboration with OHB Italia, which was commissioned to redesign the GPRM in view of LISA. In this phase, our goal is to start designing prototypes that will be tested and validated, taking advantage of the experimental setup of the Space Applications Laboratory.
Besides, I am developing an algorithm that aims to extract new information from the flight data, which could be interesting for the scientific community given the uniqueness of the experiment conducted on board of LISA Pathfinder.
[Traduzione di Paola Bonadiman]
Davide Vignotto won the Italian Mechatronics Award 2021 with his project "Experimental analysis and analytical modeling of a release mechanism for a space mission", developed during his PhD in Materials, mechatronics and systems engineering (supervisor: professor Daniele Bortoluzzi) at the Department of Industrial Engineering of the University of Trento. The project was the result of collaboration between the Space Applications Laboratory of the University of Trento and OHB Italia SpA.
The Italian Mechatronics Award is conferred by Unindustria Reggio Emilia, in collaboration with Nòva - Il Sole 24 Ore and Community as co-organizer. The award was established to promote the culture of mechatronic technology in different sectors of the national mechanical industry, and it is now in its fifteenth edition.