MICROSATELLITI "CUBESAT" (MarCO2 e 3) : Panoramica della missione realizzata anche con l’apporto tecnologico italiano.

Il 5 maggio 2018, la NASA ha lanciato un lander stazionario chiamato “InSight to Mars”. 

Con InSight c'erano due “CubeSat”, il primo di questo tipo di navicella spaziale a volare nello spazio profondo. 

Se questa dimostrazione avrà successo, la tecnologia a bordo di ogni CubeSat fornirà alla NASA la possibilità di trasmettere rapidamente informazioni sullo stato di InSight durante le fasi di arrivo sul suolo Marziano.

I CubeSat del Jet Propulsion Laboratory della NASA di Pasadena, California costituiscono una dimostrazione tecnologica chiamata Mars Cube One (MarCO). 

I CubeSat sono una classe di veicoli spaziali di dimensioni ridotte standardizzate sull'uso modulare di tecnologie standard. Alcuni componenti sono stati progettati e realizzati anche da studenti universitari italiani; decine sono stati lanciati in orbita terrestre utilizzando la massa utile extra disponibile sui lanci di veicoli spaziali più grandi.

L'unità base di CubeSat è una scatola di circa 10 centimetri quadrati. I CubeSat più grandi sono multipli di quell'unità. Il design di MarCO è un CubeSat a sei unità - circa le dimensioni di una valigetta - con una dimensione di circa 36,6 centimetri per 24,3 centimetri per 11,8 centimetri.

"MarCO-A e B" sono il primo e secondo CubeSat interplanetario progettato per monitorare InSight nel breve periodo intorno all’arrivo sul pianeta rosso.

Queste missioni CubeSat non sono indispensabili per il successo della missione di InSight. Sono una dimostrazione della potenziale capacità futura. 

Durante il volo indipendentemente verso il Pianeta Rosso, la coppia di micro satelliti MarCO2 e MarCO3 effettuerà accurati esperimenti di comunicazione e di navigazione, anche utilizzando antenne tecnologicamente avanzatissime messe a punto e realizzate anche con l’apporto di ricercatori italiani.

Durante le operazioni di ingresso, discesa e arrivo sul suolo (EDL) di InSight, il lander trasmetterà informazioni nella banda radio UHF al Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) della NASA che orbita nello spazio. 

La MRO trasmetterà le informazioni EDL alla Terra usando una frequenza radio nella banda X, ma non può ricevere simultaneamente informazioni su una banda mentre trasmette su un'altra. La conferma di un atterraggio riuscito potrebbe essere ricevuta dall'orbiter più di un'ora prima di essere trasmessa alla Terra.

La radio softball di MarCO fornisce funzioni UHF (solo ricezione) e in banda X (ricezione e trasmissione) in grado di trasmettere immediatamente le informazioni ricevute su UHF.

I due CubeSat sono progettati per separarsi dal booster Atlas V dopo il lancio di InSight, per poi viaggiare lungo le proprie traiettorie verso il Pianeta Rosso. Dopo il rilascio dal veicolo di lancio, la MarCO dovrà dispiegare due antenne radio e due pannelli solari. L'antenna ad alto guadagno in banda X è un pannello piatto progettato per dirigere le onde radio come fa un'antenna parabolica a parabola. MarCO sarà guidato con le proprie regolazioni di rotta verso Marte, indipendentemente dalla navicella spaziale InSight.

In definitiva, se la missione dimostrativa MarCO avrà successo, potrebbe consentire un'opzione di relè di comunicazione "bring-your-your-own" per le future missioni su Marte nei pochi minuti critici tra l'ingresso atmosferico marziano e il touchdown.

Verificando che i CubeSat sono una tecnologia praticabile per le missioni interplanetarie, e fattibile in tempi di sviluppo brevi, questa dimostrazione tecnologica potrebbe portare a molte altre applicazioni per esplorare e studiare il nostro sistema solare.

JPL, una divisione del California Institute of Technology di Pasadena, gestisce MarCO, InSight e MRO per la direzione della missione scientifica della NASA a Washington. 

I fornitori di tecnologia per MarCO - oltre a numerosi ricercatori italiani, includono: Blue Canyon Technologies di Boulder, Colorado, per il sistema di controllo dell'assetto; VACCO Industries di South El Monte, California, per il sistema di propulsione; AstroDev di Ann Arbor, Michigan, per l'elettronica; MMA Design LLC, sempre di Boulder, per gli impianti solari; e Tyvak Nano-Satellite Systems Inc., una Terran Orbital Company di San Luis Obispo, California, per il sistema di distribuzione CubeSat.

Alcune nostre università e centri di ricerca hanno fornito un valido apporto tecnologico nell’Advanced Computing and Electromagnetics; tale area di ricerca si dedica a tre topics:

• attività di ricerca applicata nei temi dell’ Advance Computing, nello specifico allo studio e alla realizzazione di infrastrutture distribuite di calcolo basate su piattaforma Cloud computing (AWS, Openstack) attraverso soluzioni di tipo pubblico, privato e ibrido, studio architetture low power ad alta performance, data e resources management su architetture eterogenee;

• attiività di ricerca applicata nei temi dello sviluppo di attività teoriche e sperimentali su antenne, design e prototipazione di antenne, compatibilità elettromagnetica ed elettromagnetismo applicato, con particolare esperienza nell’ambito dell’elettromagnetismo computazionale;

• attività di ricerca applicata nel contesto dei algoritmi di data mining per l’analisi big data and extreme scale analysis.

I focus e temi principali sul tema del Advance Computing sono: 

• Architetture low power ad alta performance;

• Soluzioni hardware/software microdatacenter low power computing e low power communication;

• Machine learning: CNN;

• Accelerazione di applicazioni deep learning (CNN, BNN) su architetture riconfigurabili (FPGA);

• Porting di applicazioni su framework OpenCL per l'accelerazione hardware tramite FPGA (Intel/Altera) e GPU

• Analisi e sviluppo di applicazioni (machine learning, HPC-embedded, etc.) su architetture many-core ad alta efficienza energetica.

I focus e temi principali sul tema dell'elettromagnetismo computazionale studiati dai nostri validi ricercatori sono: 

• Design e prototipazione di antenne;
• Simulazione e modellizzazione elettromagnetica;
• Metamateriali;
• Fast solver per applicazioni CEM;
• Strategie di comunicazione Low Power;
• Tools per la diagnostica e misure di antenne.

I focus e temi principali in ambito distributed database sono: 

• Distributed Data model design for heterogeneous data sources in Big data application context;
• Fine-grained real time analysis and prediction of buildings thermal energy consumption using data from smart meters;
• Ontological modeling of cultural heritage data from heterogeneous sources for NLP;
• Characterization of user interests from social networks data (e.g., about cultural heritage);
• Big Data distributed processing engines: Apache Spark, MongoDB clusters with MapReduce;
• Relational and NoSQL databases, RDF Triple Stores • Machine Learning frameworks: Spark MLLib, scikit-learn, R, Rapid Miner;
• Supervised learning algorithms: regression and classification (ANN, SVM, Decision Tree, Random Forest, LR-SGD); unsupervised learning algorithms: clustering, association rules mining.

Tools diagnostici per sistemi di misura

L'obiettivo del progetto finanziato anche dalla European Space Agency, è quello di ottenere un set di correnti equivalenti in grado di descrivere completamente il comportamento dell'antenna, a partire dal campo irradiato dall’antenna stessa, misurato su una superficie nota. Le correnti equivalenti trovate sono sorgenti vettoriali complesse elettriche e magnetiche, tangenti ad una superficie chiusa che racchiude completamente il sistema radiante. I campi misurati possono essere noti anche solo in ampiezza, la fase può essere ricostruita in modo iterativo. Le diverse applicazioni, attese dal tool elettromagnetico (EM) sviluppato, possono essere organizzate in quattro categorie: misure su antenne, diagnostica su antenne, compatibilità elettromagnetica (EMC), e sintesi di antenne. In applicazioni di misura, il tool può essere utilizzato per trasformazioni Near Field - Far Field (NF-FF), ad esempio nel caso di superfici di misura non separabili. Riguardo invece la diagnostica, le correnti equivalenti ricostruite permettono di individuare malfunzionamenti dell’antenna, e di togliere interazioni indesiderate. Nel campo EMC, un’interessante applicazione è la previsione degli effetti di piattaforme complesse, e l’analisi e la cura di interferenze elettromagnetiche (EMI). Ad esempio le strutture in metallo per applicazioni spaziali in genere devono avere "buchi" per ragioni termiche e/o meccaniche. È importante sapere quali fori hanno perdite significative di energia EM che può interferire con antenne di bordo. Questa tecnica può essere utilizzata per rilevare le aree in cui i fori possono essere lasciati in modo sicuro. Infine, riguardo alla sintesi di antenne, il tool proposto può essere applicato per il progetto di array sparsi, nella localizzazione degli elementi dell’array.

(Web, Google, Jet Propulsion Laboratory - California Institute of Technology California, NASA, Centri di ricerca avanzata italiani)