Novità spaziali

AEREOSPAZIO & DIFESA –

Le applicazioni delle tecnologie spaziali alla vita di tutti i giorni si possono trovare nelle condizioni più diverse: in un sistema di monitoraggio per il crash test delle auto, in un antenna indossabile per operazioni di soccorso, in un sistema per la digitalizzazione delle biblioteche.

Lo spazio è da sempre stato fucina di innovazione tecnologica, in molti casi con interessanti ed inattese ricadute nella vita di tutti i giorni. Di seguito, rivediamo in particolare alcune delle novità più interessanti che si sono segnalate nell'ultimo periodo da questo punto di vista.

Sensori piezo-elettrici per il monitoraggio
delle auto durante i crash test

Volkswagen ha recentemente presentato un sistema di monitoraggio accurato delle auto durante i crash test, basato su sensori piezo-elettrici. Il problema principale delle soluzioni tradizionali in questo tipo di applicazioni è che i sensori tendono a distruggersi durante l'impatto, rendendo difficile raccogliere dati accurati; inoltre rappresentano in alcuni casi ostacoli alla struttura dell'auto che possono perturbare la qualità della misura. L'utilizzo di dispositivi piezoelettrici consente invece di realizzare film sottili di rivestimento delle aree di interesse. La tecnologia era stata sviluppata all'interno del programma Hermes, portato avanti negli anni '90, per la realizzazione di un veicolo senza pilota e riutilizzabile, portato in orbita dal vettore Arianne 5. In questo caso i fogli di materiale sensibile erano stati utilizzati per il rivestimento di alcune aree delle ali del velivolo, per misurarne deformazioni e stress durante le fasi di lancio e rientro. Un primo spin-off si era già avuto con la dimostrazione di un impianto dentale, rivesto di materiale piezoelettrico, per determinare le forze prodotte da uno spazzolino da denti. Il sistema utilizzato dalla Volkswagen  consiste di strisce sottili che includono fino a 50 sensori piezoelettrici ognuno di area di circa un centimetro quadrato. La strisca è connessa ad una scheda di amplificazione che rende il segnale dei sensori adatto per l'acquisizione. Il progetto è stato soggetto a test per due anni e finalmente adottato stabilmente agli inizi del 2012. L'iniziativa si è svolta all'interno dell'Esa Ttpo (Technology Transfer Programme Office), il programma di trasferimento tecnologico dell'agenzia.

Visione 3D mediante Lidar
per la navigazione autonoma

Una delle tecnologie che sta riscuotendo maggiore interesse nel settore spaziale nell'ultimo periodo è certamente quella della visione 3D mediante Lidar (Light Detection and Ranging). Un Lidar è uno strumento del tutto simile a un radar, ma utilizza una luce pulsata per illuminare il bersaglio, misurandone poi il tempo di ritorno per ottenerne informazioni sulla struttura dell'oggetto. L'utilizzo, tuttavia, di radiazione ad elevata lunghezza d'onda consente evidentemente di ottenere elevata risoluzione di scansione. Nel settore spaziale la tecnologia trova interesse soprattutto nell'ambio dei sistemi di navigazione autonoma, per applicazioni di rendevouz e docking (come a bordo dell'Atv) o esplorazione robotica. Recentemente, in particolare, sono stati condotti due studi paralleli, finanziati nell'ambito dei programmi della divisione Basic Technology Research Programme dell'Esa, e portati avanti da due diversi consorzi, diretti dalla inglese Absl e dalla tedesca Jena Optronik. Nel primo caso, si è tratto dello sviluppo di un sistema di aiuto all'atterraggio autonomo mentre nel secondo di un sensore per applicazioni di rendezvous in volo.  Il sistema, delle dimensioni di una scatola di scarpe, consiste di uno specchio movimentabile per illuminare il bersaglio ed un rivelatore di luce estremamente sensibile; i primi test hanno mostrato capacità di rilevamento su lunghe distanze. L'obiettivo, in prospettiva, è la realizzazione di un sistema di guida mediante Lidar da imbarcare a bordo della missione Lunar Lander, che dovrebbe far atterrare sul nostro satellite un lander europeo, per la prima volta, entro il 2018.

Visione aumentata per applicazioni medicali
La realtà aumentata è uno dei principali strumenti per il miglioramento della percezione sensoriale, reso possibile dai costanti progressi in ambito mulimediale ed elaborazioni dati. Tra le applicazioni principali di tali tecnologie rientrano, ad esempio, la chirurgia robotica o l'auto-diagnosi. Tali applicazioni, in particolare, sono di enorme interesse per il settore spaziale, soprattutto nell'ottica di missioni interplanetarie con equipaggio a bordo, per le quali, considerati i ritardi delle comunicazione, diventerebbe impensabile qualsiasi ipotesi di supporto medico da Terra in tempo reale. In questa prospettiva, è stato sviluppato il progetto Camdass (Computer Assisted Medical Diagnosis and Surgery System) per la realizzazione di un casco indossabile, dotato di un display stereoscopico e di un sistema di visione mediante ultrasuoni. Quest'ultima tecnologia, in particolare, è stata scelta in quanto già disponibile a bordo della Iss. Camdass è in grado di riprodurre sullo schermo integrato le immagini inquadrate, sovrapponendovi le informazioni del caso, come ad esempio le istruzioni per l'esecuzione di un'operazione chirurgica. Il prototipo è stato realizzato da un consorzio condotto dalla Space Application Services NV belga con il supporto dell'università di Monanco ed del Centro di ricerca sul cancro tedesco DKFZ. È quindi stato provato presso l'ospedale universitario di Saint-Pierre di Brussel, utilizzando anche personale non qualificato, dimostrando la possibilità di eseguire procedure mediche complesse senza ausilio di terzi.

L'utilizzo del plasma per la sanitizzazione
La sanitizzazione degli ambienti ospedalieri è certamente uno dei temi oggi di maggiore interesse; diversi studi hanno infatti evidenziato una crescente resistenza dei batteri più comuni agli antibiotici che tipicamente utilizziamo. Il solo Staphylococcus aureus, ad esempio, è causa di infezioni in oltre 150 mila pazienti ogni anno in Europa, uccidendone oltre 37 mila, con un costo economico, oltre quello sociale, che si aggira intorno ai 380 milioni di euro. Per questo, recentemente sono stati condotti, presso il Max Planck Institute, esperimenti di utilizzo del plasma (particelle gassose cariche elettricamente) per le operazioni di sanitizzazione. Lo studio ha preso il via dai risultati di una serie di esperimenti condotti a bordo della ISS a partire dal 2001 nell'ambito, prima, di una collaborazione bilaterale tra Germania e Russia e, poi, dal 2006, di finanziamenti dell'Esa, che consentiranno al programma di continuare fino oltre il 2013. È stato, in particolare, realizzato un prototipo di un dispositivo di sanitizzazione delle mani da adottare in ambito ospedaliero. Le prospettive di utilizzo della tecnologia, una volta messa a punto, sono evidentemente innumerevoli, finanche in ambito domestico per la pulizia, ad esempio, di spazzolini da denti e rasoi. Rispetto ai tradizionali sistemi UV, dispositivi mediante plasma consentono una sanitizzazione anche in aree nascoste e non superficiali.

Antenne indossabili per il soccorso
Cospas-Sarsat è un sistema di ricerca e soccorso, sponsorizzato da Canada, Francia, Russia e Stati Uniti, costantemente attivo, che ha consentito di salvare la vita a oltre 26 mila vittime in 30 anni di attività. Il sistema consiste di una radio trasmittente che invia un segnale a bassa frequenza captato dai satelliti e rimbalzato alla stazioni di controllo per consentire la localizzazione della segnalazione. Recentemente sono state condotte attività di ricerca da parte della finlandese Patria ed in collaborazione con l'University of Technology di Tampere per la realizzazione di una antenna compatibile con il sistema Cospas-Sarsat che possa essere integrata direttamente nei giubbotti di salvataggio. L'antenna è realizzata con un materiale estremamente flessibile e leggero, resistente all'esposizione all'acqua ed all'umidità e non soggetto a logorio. Nonostante le basse frequenze di trasmissione in gioco, che consentono di indossare l'antenna, questa è di ridotte dimensioni. Prove preliminare hanno dimostrato la possibilità di localizzare dispersi in mare con la nuova tecnologia nel giro di pochi minuti.

Aspirapolvere intelligenti
Le applicazioni delle tecnologie spaziali alla vita di tutti i giorni si possono trovare nelle condizioni più diverse, come abbiamo visto in precedenza, e in alcuni casi, come in quello che segue, anche inattese. Per alcuni missioni, ad esempio, sono stati sviluppati negli ultimi anni sensori di rilevamento di polveri che hanno aiutato ad identificare zone, nelle code delle comete, con concentrazioni elevate, fino anche a 1000 volte oltre quelle usuali. Lo studio delle polveri spaziali è in effetti di grande interesse sia perché queste contengono informazioni importanti su come la materia si genera nel cosmo sia perché esse stesse costituiscono una fonte di rischio per i satelliti in orbita intorno alla Terra, ad esempio finendo per danneggiare i pannelli solari. Riconoscendo l'utilità di tali tecnologie anche per la vita di tutti i giorni, nella quale siamo ormai subissati di polveri sottili, in molti casi anche cancerogene, recentemente è stato realizzato, utilizzando la tecnologia messa a punto per lo spazio, un prototipo di aspirapolvere in grado di rivelare la concentrazione di polveri residue in pavimenti e tappeti. L'elettrodomestico è dotato di un sensore, installato nel tubo di aspirazione, e del relativo sistema di acquisizione, montato invece nel braccio; alcune spie luminose di colori diversi segnalano quindi il livello di pulizia della superficie.

Controllo automatico delle operazioni di perforazione
Sebbene più semplice rispetto alle operazioni di controllo di una missione nello spazio profondo, la manovra dei satelliti di telecomunicazioni richiede comunque una serie di operazioni spesso eseguite in maniera ripetitiva, per il controllo di assetto ed il puntamento di antenna. Per questo, fin dagli anni '90, diverse compagnie hanno sviluppato software automatici di esecuzioni delle routine di controllo. Tra questi, uno dei più diffusi, adottato ad esempio anche dalla missione EUMEsaT, è Apex (Automated Procedure EXecution), della SciSys. Il software, sviluppato in tecnologia Java ed open-source, consente di rappresentare in un diagramma di flusso intuitivo ed immediato le sequenze di comandi da inviare, riportando in maniera visiva le risposte del satellite. Recentemente SciSys ha avviato una attività di ricerca, sotto egida dell'Esa ed in collaborazione con la Schlumberger, compagnia leader del settore, per verificare la possibilità di adottare tali software automatici alla gestione delle operazioni di perforazione nelle installazioni petrolifere e di trasporto del gas. In questo ambito, infatti, si è evidenziato come gli operatori siano spesso costretti ad eseguire manualmente sequenze ripetitive in condizioni di stress, dovute a lunghi turni di lavoro e con significative quantità di dati da controllare. Automatizzare le procedure significherebbe consentire loro di concentrare l'attenzione sulla sola parte decisionale del processo. E' già stata eseguita una prima serie di test sul campo per verificare la portabilità della tecnologia spaziale in questo senso e altri sono programmati per l'immediato futuro, insieme a sessioni di addestramento degli operatori per consentire loro di definire procedure automatiche proprie.

Sensori ceramici per il controllo di produzione dei vetri
Nel 1993 l'Esa aveva iniziato una serie di attività di ricerca per la realizzazione di un sensori di gas ceramici per misurare i livelli di ossigeno atomico, noto per i suoi effetti corrosivi, sulle superfici delle capsule di rientro. Oggi il sensore, in una sua versione miniaturizzata, è installato nella facility Fipex (Flux ProbeExperiments) montata all'esterno della stazione spaziale con l'obiettivo di studiare le condizioni ambientali in orbita bassa. Sulla base di queste esperienze, Escube ha recentemente realizzato un dispositivo denominato VacuSens che serve al monitoraggio dei parametri essenziali nei processi di produzione di vetri dalle caratteristiche migliorate. La nuova tecnologia consente di realizzare vetri per i quali il trasferimento di calore tra gli ambienti è ridotto a un terzo di quello che si aveva negli anni '80 pur mantenendo un livello di trasmittanza per la luce di fino all'80%. Tra le applicazioni principali di tali nuovi vetri vi è ad esempio la costruzione dei moderni grattacieli; il miglioramento dell'efficienza termica è evidentemente un problema fortemente sentito in questo caso.

La rappresentazioni dei dati nelle biblioteche digitali
Un aspetto non banale che ha sempre rivestito interesse nel settore spaziale, considerati i lunghi tempi e i costi elevati delle missioni, è la disponibilità dei dati nel lungo periodo. Per questo, negli anni '70, i ricercatori della Nasa e dell'Esa hanno sviluppato un formato, denominato Fits, per la rappresentazioni delle immagini astronomiche. Il formato è retro-compatibile e auto-consistente, dal momento che le istruzioni per la decodifica sono in qualche modo contenute in un header aggiunto in testa ai dati. Lo standard è correntemente adottato dalle principali missioni, incluso il telescopio spaziale Hubble. Recentemente è stata lanciato un programma pilota tra l'Istituto Nazionale di Astrofisica italiano ed il Vaticano per la scannerizzazione dei testi antichi presenti all'interno della Libreria Vaticana, una delle più antiche al mondo, fondata nel 1475 e dove sono oggi conservati documenti che risalgono ad oltre 1800 anni fa. Per la codifica delle immagini è stato appunto scelto il formato Fits. È stato inoltre sviluppato un software particolare che consente di produrre immagini accurate e piatte anche in condizioni di esposizione non ottimale del testo alla lastra di scansione, come accade nel caso di test antichi per evitare di rovinarli. La digitalizzazione della libreria Vaticana consentirà di rendere le informazioni disponibili per gli anni a venire e soprattutto di limitare la consultazione diretta dei dati e l'usura che ne consegue.

Diagnosi medica nello spazio
Se, come abbiamo detto spesso, lo spazio è fonte di innovazione per le applicazioni sulla Terra, non di rado accade anche il contrario, ovvero tecnologie terrestri mature vengono prese in considerazione per applicazioni spaziali. Il dipartimento Esa Gstp (General Support Technology Programme) si occupa appunto di questo. Recentemente, in particolare, è stato annunciato l'avvio di una attività di ricerca con la compagnia irlandese Radisens Diagnostic, specializzata nella realizzazione di soluzioni medicali di tipo point-of-care. L'azienda ha messo a punto per applicazioni a Terra un sistema miniaturizzato di analisi del sangue in grado di rilevare in breve tempo malattie tipiche come diabete, ipertensione o problemi cardiaci. Il sistema consiste di un disco ai cui estremi sono montate le procedure di analisi; richiede poche gocce di sangue. Viene inserito all'interno del dispositivo point-of-care e fatto roteare, in modo che piccole quantità di sangue vengono dirette verso i test. Il problema principale dell'adattamento di tale tecnologia al settore spaziale risiede nella difficoltà di operare in condizioni di assenza di gravità. I possibili utilizzi sono tuttavia diversi, soprattutto per il crescente peso che l'analisi biochimica sta acquisendo negli esperimenti fisiologici condotti a bordo della stazione ed in un periodo in cui, con il ritiro dello Shuttle, è diventato sempre più difficile assicurare un mezzo costante di trasporto dei materiali dalla Iss a Terra e viceversa.

Tecnology Innovation Days:
il punto sull'innovazione tecnologica nello spazio

Un evento di interesse in ambito tecnologico nel settore spaziale è certamente rappresentato dalle giornate intitolate “Tecnology Innovation Days” che si tengono annualmente presso Estec, il centro di ricerca e sviluppo tecnologico dell'agenzia europea. Tra le innovazioni presentate nell'edizione 2011, si è segnalato, ad esempio, SCOC3, un computer single-chip per controllo di satelliti realizzato da Astrium nella tecnologia radiation tolerant ATC18RHA a 180 nm di Atmel. Il computer si basa su Cpu Leon-3 FT, è dotato di unità Fpu, ha una frequenza di funzionamento massima di 80 MHz ed una capacità di calcolo di 74 Mips. È dotato di interfacce di comunicazione standard come SpaceWire, 1553, Can e Uart, controller di memoria Sram/Sdram; integra un modulo dedicato per la gestione di telemetria e telecomandi, con supporto opzionale per autenticazione e crittografia. Interessanti sono state anche alcune innovazioni presentate nell'ambito delle celle solari, con nuovi approcci per quanto concerne l'utilizzo di materiali e nanostrutture per raggiungere efficienze oltre le tipiche soglie del 30%.

Una camera digitale per fotografare la Via Lattea
Nel luglio 2011 sono finalmente terminate, presso la facility di integrazione di Tolosa della compagnia Astrium France, le operazioni  di assemblaggio del piano focale della più grande telecamera digitale mai costruita per applicazioni spaziali. Il piano, delle dimensioni di 0,5 x 1 m, è costituito da 106 sensori Ccd da 4,6 x 6 cm l'uno e di spessore inferiore a quello di un capello umano realizzati dalla e2v Technologies di Chelmsford in Inghilterra. I sensori sono montati con uno spaziamento inferiore al millimetro tra l'uno e l'altro e su di una struttura di supporto prodotta in carbonato di silicio, con un peso complessivo inferiore ai 20 kg. Il rivelatore sarà imbarcato a bordo della missione Gaia prevista per il 2013 ed opererà ad una temperatura costante di -110°C , per migliorarne la sensibilità. L'obiettivo è fornire una mappa completa di oltre un bilione di stelle (l'1%!) delle Via Lattea, rivelandone caratteristiche spettrali, luminosità, posizione e movimento nel tentativo di ricavare informazioni utili a capire le dinamiche di formazioni ed evoluzione delle galassie.

Videoconferenza 3D live dallo spazio
Il 6 agosto 2011 è stata realizzata la prima trasmissione live 3D dallo spazio. L'astronauta Ron Garan ha utilizzato la camera stereoscopica Erb-2 (Erasmus Recording Binocular) a bordo della Stazione Spaziale per comunicare in tempo reale in 3D con la stazione di terra. Il video è tutt'oggi visibile (servono banali occhialini rosso/blue) sul sito dell'agenzia. Erb-2 è un sistema di visione bi-noculare dotato di due telecamere ad elevata risoluzione (formato 720p) acquisite da un complesso sistema elettronico che ne consente la compressione in tempo reale per la trasmissione a Terra attraverso le facility di comunicazione della Iss e la memorizzazione, a bordo della camera stessa, a più elevata qualità, su un normale disco rigido. Realizzato dalla olandese Cosine e dalla italiana TechnoSystem, la camera, non più grande delle dimensioni di una scatola di scarpe, era stata imbarcata a bordo della Stazione nel 2010 e già utilizzata dall'astronauta italiano Nespoli durante la missione MagIIStra, per documentare la vita a bordo della ISS; in quel caso tuttavia i dati erano stati memorizzati a bordo della camera e non inviati in tempo reale a Terra. Oltre che per scopi divulgativi, Erb-2 potrebbe trovare impiego per realizzare una mappa dettagliata tridimensionale dell'interno della stazione. La prospettiva più interessante resta comunque quella della realizzazione di un modello analogo in grado di operare all'esterno della Stazione (quindi in condizioni critiche per quanto riguarda, ad esempio, la tolleranza alle radiazioni dei componenti elettronici) come strumento di supporto alle operazioni di manutenzione, eventualmente operate direttamente da robot.

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