Si chiama Astra. È un sistema robotico concepito, progettato e realizzato da un team di ingegneri del Caltech. E di recente è riuscito in un’impresa senza precedenti: assemblare autonomamente una struttura reticolare direttamente nello spazio, senza l’intervento diretto dell’essere umano.
Illustrazione artistica che mostra come un sistema robotico ispirato ad Astra del programma Nom4d potrebbe un giorno costruire autonomamente una struttura reticolare nello spazio. Crediti: Darpa | Colie Wertz
Oggi le dimensioni dei manufatti inviati in orbita sono limitate dalla capienza dei vettori di lancio. Per superare questo limite, gli ingegneri aerospaziali ricorrono a due strategie principali. La prima consiste nell’utilizzare strutture ripiegabili, che vengono poi dispiegate nello spazio. È il caso dello specchio primario da 6.5 metri di diametro del telescopio spaziale James Webb: poiché era troppo grande per entrare nell’ogiva del razzo Ariane 5, la struttura è stata progettata per ripiegarsi come un origami e dispiegarsi una volta raggiunta l’orbita.
La seconda strategia consiste nel costruire l’oggetto in maniera modulare, effettuare lanci multipli dei singoli moduli e quindi procedere con l’assemblaggio in orbita. L’esempio più celebre di questa tecnica riguarda la costruzione della Stazione spaziale internazionale (Iss), realizzata unendo decine di moduli nel corso di molti anni.
Da tempo, tuttavia, si studia anche una terza possibilità: costruire direttamente in orbita. È proprio questa la visione alla base di Astra, acronimo di Autonomous In-Space Tensioned Reflector Assembly. Concepito per costruire grandi oggetti reticolari direttamente nello spazio, il sistema è costituito da un manipolatore autonomo, in grado di prelevare singoli elementi strutturali e giunti da appositi distributori (dispensers) e assemblarli in successione, dando così forma ai diversi moduli di una struttura reticolare.
Ora, ed è la prima volta che accade nella storia dell’esplorazione spaziale, il robot è riuscito a costruire un oggetto nello spazio senza l’intervento diretto dell’essere umano: una sezione di una grande antenna riflettente.
Negli ultimi sei mesi, Astra ha lavorato in orbita alla costruzione di un’antenna di 1,4 metri di diametro, impiegando tubi in fibra composita, giunti in alluminio e una pellicola riflettente in Kapton; un’operazione di assemblaggio complessa, paragonabile al montaggio di una versione ultra-tecnologica dei giochi da costruzione a incastro di aste e connettori, come K’Nex o Tinkertoy.
Immagine che mostra il rilascio del sistema robotico Astra dal veicolo spaziale Vigoride-7. Crediti: Caltech/Momentus
A causa dei tempi limitati a disposizione, il robot non è riuscito a completare l’intera antenna. Tuttavia, è riuscito a realizzare una delle sezioni, dimostrando la fattibilità del concetto alla base della missione: un approccio scalabile, che potrebbe essere esteso alla costruzione di grandi strutture reticolari in orbita, capaci di sostenere enormi superfici riflettenti. Si tratta di un risultato con importanti risvolti tecnologici. Primo fra tutti, la possibilità di costruire e dispiegare direttamente nello spazio strutture di grandi dimensioni, come enormi specchi per telescopi spaziali e grandi antenne a radiofrequenza, aprendo così nuove prospettive per l’osservazione degli oggetti più lontani dell’universo.
«È la prima volta in assoluto che una struttura viene costruita in modo completamente autonomo nello spazio», dice Sergio Pellegrino, ingegnere aerospaziale di origini campane, oggi professore di ingegneria aerospaziale e civile al Caltech, dove gestisce il progetto Astra. «Sviluppare un impianto di questa complessità in tempi così ristretti è stata un’impresa enorme per il nostro team. Ora che la missione giunge al termine, possiamo finalmente concentrarci sulle nuove linee di ricerca aperte da questo successo».
Astra è un robot dimostratore sviluppato nell’ambito del programma Nom4d (Novel Orbital and Moon Manufacturing, Materials, and Mass-efficient Design), che mira a gettare le basi per la costruzione di grandi strutture direttamente nello spazio.
Per mettere alla prova le sue capacità di costruire strutture nello spazio, il 30 marzo scorso il sistema è stato inviato in orbita terrestre bassa. Lanciato dalla base di Vandenberg, in California, il dimostratore era uno dei dieci carichi utili trasportati dal veicolo spaziale Vigoride 7. Il sistema comprendeva due moduli già preassemblati, un braccio robotico manipolatore e tutti i componenti necessari per costruire il resto della struttura: nove moduli identici ai primi due, conservati all’interno di appositi distributori motorizzati.
Una volta raggiunta l’orbita, il team ha iniziato a inviare comandi al computer di bordo di Astra attraverso il veicolo Vigoride, che fungeva da tramite per le comunicazioni. Per prima cosa sono stati rilasciati i dispositivi di bloccaggio che avevano mantenuto fermi i componenti durante il lancio. Successivamente, sono stati espulsi i due moduli già assemblati, dando il via all’assemblaggio del terzo modulo nello spazio.
I comandi per la costruzione della struttura sono stati inviati dai membri del gruppo Astra, Charles Sommer, Alan Truong e Tara Venkatadri, mentre i risultati delle operazioni venivano verificati attraverso le immagini scaricate dallo spazio.
Le procedure di costruzione sono state ripetute più volte, adattando spesso i comandi per risolvere gli imprevisti emersi durante le operazioni. Eventualità per le quali i ricercatori si erano preparati realizzando un duplicato di Astra, un modello di riserva identico a quello inviato nello spazio, utilizzato in laboratorio per effettuare prove e testare possibili soluzioni.
Ogni giorno il gruppo disponeva soltanto di sette o otto brevi finestre di comunicazione, della durata di circa 15 minuti ciascuna, per collegarsi al sistema in orbita. In caso di problemi, i ricercatori dovevano quindi individuare una soluzione sperimentando diverse alternative sul modello terrestre del robot e trasmettere successivamente le procedure correttive al sistema nello spazio.
Il team di Astra fotografato insieme al dimostratore prima della sua consegna per l’integrazione sul veicolo spaziale che l’ha lanciato in orbita. Da sinistra a destra: Charles Sommer, Sergio Pellegrino, George Popov, Jaden Suh e Alan Truong. Crediti: Caltech
Come anticipato, ciò che Astra è riuscito a costruire autonomamente in orbita è una delle undici sezioni di un’antenna riflettente da 1,4 metri di diametro. Per realizzarla, il braccio robotico ha prelevato i singoli componenti dal sistema – tubi in fibra composita e giunti in alluminio – li ha posizionati e assemblati su una piastra di montaggio. Una volta completata l’intelaiatura, il manipolatore ha applicato su entrambi i lati una membrana riflettente ultraleggera in Kapton, il materiale che costituisce la superficie attiva dell’antenna, tenuta in tensione mediante un sistema di molle.
Il progetto prevede che, al termine dell’assemblaggio, ciascun modulo venga espulso verso l’esterno, nell’ambiente spaziale, per lasciare spazio alla costruzione del successivo. La struttura potrà dirsi completa quando tutti gli undici moduli dell’antenna saranno stati assemblati, collegati alle superfici riflettenti e progressivamente trasferiti all’esterno del sistema.
Con la conclusione della missione Astra in calendario per dicembre, sembra improbabile che il robot riesca a completare l’intera struttura. Il team di ricerca considera comunque la dimostrazione un successo: l’esperimento ha permesso di verificare la fattibilità dell’assemblaggio robotico in orbita e di acquisire indicazioni preziose per perfezionare e semplificare la tecnologia in vista di future applicazioni.
«Quando si raggiunge un limite dimensionale oltre il quale le strutture non possono più essere assemblate a Terra e successivamente dispiegate, bisogna cominciare a pensare a come costruirle direttamente nello spazio», conclude Pellegrino. «Questo lavoro potrebbe quindi rivelarsi utile non soltanto per l’astronomia e l’astrofisica, ma anche per le telecomunicazioni e altri settori, come la realizzazione di enormi pannelli solari destinati alla produzione di energia nello spazio».
Guarda sul canale YouTube del Caltech il video della dimostrazione dell’assemblaggio: