Affinché tutto fili liscio sul pianeta rosso

L'industria svizzera delle macchine ha un'eccellente reputazione internazionale - come è sempre stato. Quando si tratta di applicazioni di precisione e di nicchia, i prodotti dei fabbricanti svizzeri sono sempre utilizzati. A questo proposito, l'azienda maxon di Sachseln OW, per esempio, ha acquisito una reputazione mondiale. Questa azienda produce piccoli motori elettrici, che sono stati ripetutamente forniti alla NASA. I motori DC di maxon sono stati utilizzati in quasi tutte le missioni robotiche su Marte - secondo l'azienda, ci sono oltre 100 azionamenti fino ad oggi. E ora ce ne sono altri in arrivo: un nuovo rover chiamato "Perseverance" - non appena arriverà sul Pianeta Rosso nel febbraio 2021 - raccoglierà campioni di suolo che saranno poi esaminati più in dettaglio sulla Terra. Un drone elicottero chiamato "Ingenuity" sarà anche una prima volta. Sarà il primo "vero" oggetto volante su Marte.

La lunga strada verso motori "vendibili"

I motori maxon giocano un ruolo chiave nel successo della missione su Marte. Da un lato, sono responsabili del movimento del braccio robotico del rover. Anche i meccanismi di tenuta dei contenitori dei campioni sono azionati da motori DC senza spazzole di questo produttore. Per il loro sviluppo e la loro modifica, un team di maxon ha lavorato insieme agli specialisti del Jet Propulsion Laboratory (JPL). Nell'elicottero sono usati anche motori della Maxon, ma questi hanno richiesto meno modifiche.

I motori usati nella Rover sono i tipi EC 20 flat e EC 32 flat della famiglia di prodotti "flat motor", come usati in molte applicazioni industriali. Hanno un design complessivo conveniente che fornisce una coppia elevata e - grazie al rotore esterno - permette un eccellente raffreddamento a convezione e quindi un'elevata potenza continua nelle condizioni della Terra. Le condizioni su Marte, tuttavia, sono molto diverse. Quindi, quali requisiti devono soddisfare i motori utilizzati e cosa è stato fatto per assicurare che la loro funzionalità rimanga garantita anche lì, nell'ambiente ostile del Pianeta Rosso con le sue alte fluttuazioni di temperatura e le violente tempeste di sabbia? Questo articolo fornisce una piccola visione dell'ampio lavoro di sviluppo e di test, durante il quale molti dettagli dovevano essere presi in considerazione.

Modifiche al modello di serie

Fortunatamente, Maxon ha potuto attingere ad alcune esperienze dalle precedenti missioni su Marte. Tuttavia, varie modifiche dovevano essere fatte ancora una volta, soprattutto perché il rover si stava avventurando in nuove aree di applicazione. Queste modifiche includevano sia aggiustamenti del design che l'uso di materiali alternativi. Per esempio, in contrasto con i modelli di serie, FR4 è stato utilizzato come materiale del circuito, un materiale che è anche comunemente usato in altre missioni spaziali. Degrada meno ed è abbastanza robusto da supportare i sensori Hall necessari per il sistema di controllo in un ambiente altamente vibrante. Soddisfa anche i requisiti della linea guida tecnica IPC-A-600 Classe 3 per i circuiti stampati e i test richiesti dal JPL. L'intera architettura del motore è stata modificata in modo che l'intero sistema non cambi anche in caso di un forte impatto, cioè le singole parti non si spostano in caso di urti o vibrazioni. Una molla più robusta con estremità a rondella assicura una migliore distribuzione delle forze.

I test Pyroshock mostrano i limiti della resilienza

I motori devono anche soddisfare i più alti requisiti meccanici e sono stati testati di conseguenza. Un test comunemente usato nella tecnologia spaziale è il cosiddetto test pyroshock. Si tratta di testare i componenti per vedere se possono resistere alle sollecitazioni che si verificano, per esempio, durante le accensioni pirotecniche (come la separazione dello stadio di un razzo; simili accensioni pirotecniche si verificano anche, per esempio, quando si attivano gli airbag). L'oggetto in prova è eccitato ad oscillare da un impulso breve e molto forte. Questi impulsi sono generati da dispositivi di fissaggio dei bulloni o da martelli a caduta o a pendolo. Naturalmente, questi test piroshock sono convalidati e includono gli standard ECSS-EST-10-03C Space Engineering - Testing, MIL- STD-810 G Environmental Test Methods e NASA-STD-7003 Pyroshock Test Criteria.

Anche il motore piatto EC 32 di maxon è stato testato dal JPL secondo questi criteri. È stato sottoposto a una forza di 3000 g (3000 volte l'accelerazione dovuta alla gravità) a una frequenza di oscillazione di 1600 Hz. Dopo il test, il motore è stato esaminato. Durante il funzionamento, si sentiva un rumore simile a quello di un macinino da caffè. Da un punto di vista puramente esterno, tuttavia, il motore non sembrava essere danneggiato, e anche un esame tomografico al computer non ha mostrato alcun danno visibile alla struttura. Ulteriori test, tra cui un'analisi della frequenza del rumore del motore e un esame dell'albero rotante, hanno rivelato che i cuscinetti del motore erano leggermente danneggiati. Quindi cosa fare? Riprogettare di nuovo il motore avrebbe richiesto troppo tempo. Si decise quindi di installarlo comunque, in un luogo dove il carico da piroshock era presente, ma dove l'"effetto mulino del caffè" non si rivelava dannoso.

La questione del monitoraggio della temperatura

Un'altra sfida con i motori elettrici è la generazione di calore, innescata dalla resistenza elettrica negli avvolgimenti. A differenza dei precedenti motori utilizzati nelle missioni su Marte, questa volta è stato possibile fare a meno dell'installazione di un termometro a resistenza di platino, che avrebbe attivato un arresto di emergenza in caso di surriscaldamento imminente. Grazie al design con un rotore esterno, il pericolo di surriscaldamento dell'alloggiamento potrebbe essere minimizzato. L'installazione di una termocoppia direttamente negli avvolgimenti potrebbe essere considerata per dopo. Accoppiato alla scheda di controllo, questo permetterebbe anche di attivare un allarme di temperatura e un arresto di emergenza.

Il linguaggio della ricerca - e dell'industria

maxon è stata finalmente in grado di consegnare 99 motori piatti EC 32 e 40 motori piatti EC 20 al JPL - in ogni caso più di quanto fosse effettivamente necessario per l'installazione nel rover. Il JPL è stato così in grado di selezionare i motori più potenti e conservare il surplus per le missioni successive. Lo sviluppo dei motori per la nuova missione su Marte è stato ancora una volta un esempio di come le aziende industriali del settore privato possano collaborare con organizzazioni finanziate dal governo e puramente scientifiche come il JPL. Dopo tutto, le domande sulle complessità tecniche, mentre sono interessanti per i ricercatori perché possono determinare il successo o il fallimento di una costosa missione spaziale, sono spesso di scarsa rilevanza in un ambiente commerciale. Tuttavia, come JPL e maxon affermano entrambi, sono stati ancora una volta in grado di imparare e beneficiare molto l'uno dell'altro in questo prestigioso progetto. Possiamo solo sperare che il lavoro congiunto ripaghi anche il successo della missione su Marte.