Azionamenti di precisione sul pianeta rosso

Sul pianeta rosso vengono utilizzati più di 100 motori elettrici maxon in grado di resistere a radiazioni cosmiche, tempeste di sabbia e forti oscillazioni della temperatura. Con il rover Perseverance gli azionamenti di precisione volano di nuovo su Marte. Il segreto del successo è lo stesso di sempre: prodotti industriali standard.

Una missione su Marte senza i sistemi di azionamento maxon? Impensabile. Negli ultimi tre decenni i motori DC sono stati impiegati praticamente in tutte le missioni robotizzate di successo. Al momento sul pianeta rosso ne sono presenti oltre 100 ai quali se ne sono aggiunti altri con l'arrivo del rover della NASA Perseverance nel febbraio 2021. Le missioni spaziali non sono però che una piccola parte dei progetti maxon. La maggior parte dei motori DC e BLDC, delle unità di comando, dei riduttori e degli encoder della società svizzera viene impiegata per le applicazioni mediche, l'automazione industriale e la robotica.

Perché maxon è un fornitore così importante per i progetti aerospaziali? La risposta è semplice: perché fornisce prodotti standard di alta qualità. Tutti gli azionamenti usati su Marte si basano su prodotti a catalogo dell'azienda impiegati quaggiù sulla Terra per svariate applicazioni. Ovviamente è stato necessario apportare delle modifiche per farli resistere alle condizioni estreme di Marte. Le caratteristiche progettuali di base sono però le stesse.

Alla scoperta di terre sconosciute con 11 motori DC

Nel 1997, per la prima volta nella storia, un veicolo si è spostato sulla superficie marziana, scattando foto e analizzando il suolo. Inizialmente il rover della NASA Sojourner, con sei ruote e un peso di soli 11 kg, doveva essere solo un esperimento con un costo relativamente contenuto.

Sojourner, il primo rover su Marte atterrato il 4 luglio 1997. Durata della missione: tre mesi. maxon ha fornito undici motori DC con diametro di 16 mm per azionamenti, sterzo e strumentazione scientifica.

Si è perciò deciso di utilizzare quanti più prodotti industriali standard possibili, tra cui 11 motori DC impiegati per la propulsione, la sterzata e il funzionamento delle attrezzature scientifiche. Gli azionamenti maxon, con il tipico rotore ironless e l'avvolgimento di forma romboidale, sono più potenti e più dinamici dei motori DC tradizionali. Gli ingegneri maxon hanno anche modificato le spazzole e il lubrificante. Allora nessuno sapeva se queste modifiche sarebbero state sufficienti per il successo della missione su Marte. Non potevamo contare su nessuna esperienza pregressa e la sfida era immensa. Gli azionamenti dovevano sopravvivere a vibrazioni elevate in fase di lancio del razzo, vuoto e radiazioni cosmiche durante il viaggio, atterraggio difficile su Marte, tempeste di polvere ed escursioni di temperatura da -120 °C a +25 °C. Tuttavia la missione è stata un successo e maxon ha acquisito fama in tutto il mondo.

Tutte le varie agenzie aerospaziali hanno iniziato a interessarsi maggiormente alle missioni esplorative sul pianeta rosso. Si trattava di trovare risposte alle grandi domande del tipo: c'è acqua o ghiaccio su Marte? Esistono forme di vita o sono potute esistere? Perché due pianeti vicini, come appunto la Terra e Marte, si sono sviluppati in un modo così differente?

Una coppia al di sopra di ogni aspettativa

Dopo il successo di  Sojourner, la NASA ha deciso di inviare contemporaneamente altri due robot per la ricerca scientifica nello spazio: i rover gemelli Opportunity e Spirit. Erano di tutt'altra categoria rispetto a Sojourner: ogni rover pesava 185 kg ed era equipaggiato con strumentazione in grado di spazzolare il terreno e perforare le rocce marziane. Nel gennaio 2004 i veicoli sono atterrati separatamente sul pianeta e hanno iniziato le rispettive missioni, che sarebbero dovute durare almeno tre mesi. Spirit è stato operativo sei anni prima di rimanere imprigionato nella sabbia. Il gemello Opportunity è resistito ben 15 anni, durante i quali ha percorso oltre 45 chilometri. Per gli scienziati che hanno preso parte alle ricerche era il coronamento di un sogno: con l'aiuto dei rover infatti hanno potuto dimostrare che un tempo sul pianeta rosso esisteva acqua allo stato liquido: una delle condizioni essenziali per la vita.

maxon ha contribuito in maniera rilevante: su ciascun veicolo sono stati impiegati 35 motori DC con spazzole con diametri di 20 o 25 mm per la propulsione, il controllo e il braccio robotico. Altri otto azionamenti elettrici sono stati utilizzati nel lander.

Motori simili sono stati impiegati dalla NASA anche nella missione successiva del 2008 sul pianeta rosso con il lander stazionario Phoenix. Questo modulo ha cercato acqua ghiacciata e l'ha individuata in un campione di terreno riscaldato per le analisi. Il compito degli azionamenti maxon è stato quello di orientare i pannelli solari del lander e muovere il braccio robotico.

1/3

I rover gemelli Spirit e Opportunity sono atterrati su Marte nel gennaio 2004. Su entrambi i rover erano presenti 35 azionamenti maxon. Motori simili sono stati impiegati nella sonda fissa Phoenix atterrata sul pianeta il 25 maggio 2008. In questo caso maxon ha fornito nove motori DC con spazzole RE 25 con cuscinetti a sfere speciali per l'orientamento dei pannelli solari e il braccio robotico.

Un motore per perforare il suolo marziano

Da allora sono stati molti gli sviluppi tecnici. Oggi sono presenti altri due robot su Marte: uno di questi è il rover Curiosity che, quanto a dimensioni e strumentazione di misurazione, supera di gran lunga tutte le missioni precedenti. Il veicolo è in uso dal 2012, pesa quasi una tonnellata ed è equipaggiato con dieci strumenti. In questo progetto maxon interpreta una piccola parte ma cruciale. L'azienda ha fornito gli encoder MR necessari per il controllo dei motori.

A fine 2018 è giunto su Marte il lander stazionario successivo InSight. Per l'estrazione dei pannelli solari gli ingegneri della NASA si sono affidati agli apprezzati motori RE 25 precedentemente installati nella coppia di rover Spirit e Opportunity. Nel frattempo è stato impiegato per la prima volta un nuovo azionamento DCX con spazzole per far penetrare una sonda termica chiamata "mole" (talpa) di svariati metri nel suolo marziano.

Curiosity è arrivato su Marte nell'agosto del 2012 e ha superato tutti i modelli precedenti, non solo per la tecnologia impiegata. Curiosity è grande come un'utilitaria, pesa 900 kg ed è alimentato da un generatore termoelettrico a radioisotopi. maxon ha contribuito con encoder di precisione installati sugli assi di azionamento.

1/2

Alla ricerca di antiche tracce di vita

Gli occhi del team maxon sono puntati ancora una volta verso Marte: nel febbraio 2021 il rover della NASA Perseverance è atterrato sul pianeta rosso. Aiuterà a cercare tracce di vita passata. Il suo compito principale è di prelevare diversi campioni di terreno, sigillarli in contenitori e depositarli sulla superficie marziana in modo da poterli riportare sulla Terra in una missione futura. Per la manipolazione dei campioni all'interno del rover vengono impiegati diversi motori BLDC maxon. Alcuni sono installati nel braccio robotico che muove i campioni da una stazione all'altra. I motori maxon vengono impiegati anche per la sigillatura e il deposito dei contenitori dei campioni.

Tutti questi azionamenti si basano su prodotti standard del catalogo maxon: nove motori EC 32 flat e un motore EC 20 flat combinato con riduttore planetario GP 22 UP. Gli ingegneri maxon hanno modificato e testato in maniera approfondita gli azionamenti per diversi anni lavorando congiuntamente con gli specialisti del Jet Propulsion Laboratory (JPL), l'ente che gestisce tutte le missioni senza equipaggio per conto della NASA.

1/3

Il rover Perseverance è arrivato su Marte nel febbraio 2021. A bordo, dieci motori DC brushless: nove EC 32 flat (sopra) e un EC 20 flat in combinazione con un riduttore planetario GP 22 UP.

Si vola alto

Il rover Perseverance ha raggiunto la superficie marziana il 18 febbraio 2021, con un ospite a bordo: l'elicottero-drone Ingenuity. Il drone pesa soltanto 1,8 kg, è alimentato tramite energia fotovoltaica ed è concepito per scattare fotografie aeree durante brevi voli. Si tratta di un esperimento per spianare la strada all'impiego dei futuri droni di questo tipo. Non stupisce quindi che anche in questo dispositivo siano presenti prodotti maxon. Sei motori DCX con spazzole con diametro di 10 mm controllano l'inclinazione delle pale del rotore, determinando così la direzione di volo.

Lunedì 19 aprile l'elicottero è riuscito a fare un volo di prova sul pianeta rosso per circa 40 secondi ed è atterrato sulle quattro gambe. Dal punto di vista della NASA si tratta di un evento storico paragonabile al primo volo dei fratelli Wright del 1903.  Il piano originale della Nasa era di eseguire cinque voli. L'agenzia aerospaziale statunitense ha prolungato però la missione di almeno altri 30 giorni. In questa fase successiva, Ingenuity si allontana fino a 1 km dal rover, cercando caratteristiche geologiche potenzialmente interessanti ed esplorando aree inaccessibili al rover Perseverance.

24 anni dopo Sojourner, maxon continua a contribuire a un altro grande risultato ingegneristico su Marte.

Anche l'elicottero marziano è equipaggiato con azionamenti maxon. Sei motori DCX sono responsabili dell'inclinazione delle pale del rotore.

maxon – un piccolo contributo alla rivoluzione spaziale

Oggi maxon può affermare a ragione di essere un fornitore importante di soluzioni per i progetti aerospaziali. I sistemi di azionamento della società svizzera vengono impiegati in satelliti, regolano gli endoreattori e sono presenti a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Il successo non è un caso. Gli ingegneri maxon hanno imparato molto in questi anni, in particolare dalla stretta collaborazione con i clienti, in particolare il Jet Propulsion Laboratory (JPL), che gestisce tutte le missioni della NASA senza equipaggio. Di conseguenza sono aumentati progressivamente gli standard di qualità e sono stati sviluppati nuovi processi e nuove procedure di prova.

 maxon adesso può vantare un team dedicato esclusivamente ai progetti aerospaziali, ma sostanzialmente l'approccio per tutte le applicazioni è sempre lo stesso: il prodotto a catalogo standard viene modificato e testato fino a che non soddisfa a pieno tutti i requisiti. Questo approccio riveste un ruolo importante nella rivoluzione attuale delle missioni aerospaziali. I prodotti specifici estremamente costosi vengono man mano sostituiti da prodotti industriali modificati. Ciò comporta costi di progetto minori e di conseguenza mette le applicazioni aerospaziali a disposizione di un bacino più ampio di soggetti. Nei prossimi anni maxon sarà in grado di sviluppare molte altre applicazioni esclusive per il settore “New Space”.

Per saperne di più sul contributo di maxon nelle varie missioni su Marte e nello spazio: mars.maxonworld.com

Il rover marziano ExoMars, il cui lancio è previsto per il 2022, contiene 17 diverse configurazioni di motori DC con e senza spazzole combinati con riduttori, freni ed encoder.

Lancio del rover europeo nel 2022

A bordo del rover ExoMars che l'Agenzia Spaziale Europea (ESA) sta per mandare su Marte sono presenti più di 50 sistemi di azionamento. Il lancio del rover “Rosalind Franklin” doveva inizialmente essere nel 2018, ma la missione è stata posticipata fino al 2020 e ora è in programma per il 2022. Molte diverse combinazioni di sistemi di azionamento, tra cui motori DC, riduttori ed encoder, devono muovere e controllare il rover, azionare la punta perforatrice e muovere i pannelli solari, la testa con telecamera e molto altro ancora.

Copyright immagini
NASA/JPL-Caltech; ESA; gruppo maxon