maxon Story
Customizzazione di motori standard per lo spazio
Grazie a una combinazione di motori industriali standard e una collaborazione creativa si creano customizzazioni improntate sulla tecnologia che consentono a motori ad alta precisione e lunga durata di arrivare fino a Marte e oltre.
Non si può negare che l'ambiente marziano possa essere difficile e inospitale per i sistemi realizzati per funzionare sulla Terra. Marte ha un'atmosfera circa 100 volte più rarefatta dell'atmosfera terrestre, sebbene sia sufficientemente spessa da supportare nuvole e venti. In determinate stagioni gli enormi vortici formati dalla polvere di ferro ossidato che ricopre la superficie di Marte, e che rappresenta una componente costante dell'atmosfera marziana, possono coprire il pianeta per mesi interi. Le variazioni di temperatura su Marte vanno da -125 ºC (-195 ºF) in corrispondenza dei poli in inverno fino a 20 ºC (70 ºF) a mezzogiorno in corrispondenza dell'equatore. Potrebbe quindi sembrare un ambiente a cui è difficile adeguarsi, ma i progettisti di sistemi si basano sempre su progettazioni di tipo industriale quando iniziano la ricerca dei componenti giusti.
La storia insegna
Dal sedicesimo secolo a oggi, ovvero da quando è stato inventato il telescopio in poi, Marte ha sempre suscitato la curiosità degli scienziati. Sebbene le capacità dei telescopi abbiano migliorato le dimensioni delle immagini, Marte non è mai stato sufficientemente grande o nitido da placare questa curiosità ed è risultato evidente che l'unico modo per comprendere il pianeta rosso fosse andarci. Nel 1964 NASA ha completato il primo volo ravvicinato in occasione del quale Mariner 4 ha scattato foto dei crateri del pianeta, per cui agli scienziati ricordavano più la luna che altri pianeti. La superficie presentava inoltre tracce di attività vulcaniche, avvenute in un determinato momento della storia del pianeta, che avevano formato enormi canyon.
Anche con lo specchio da 4,5 metri del telescopio dell'osservatorio di Monte Palomar è difficile vedere i dettagli della superficie marziana. (Foto per gentile concessione della NASA)
Questa informazione ha avuto l'effetto di rendere Marte ancora più interessante e ha spinto gli scienziati a impegnarsi per raggiungere il pianeta rosso allo scopo di studiarne più da vicino la superficie e l'ambiente. Negli anni Settanta il Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA hai inviato il primo veicolo spaziale atterrato con successo su Marte. Il lander Viking 1 è stato usato per eseguire l'analisi della superficie in un singolo punto alla ricerca di tracce di vita. Viking 1 ha acquisito immagini ad alta risoluzione per oltre sei anni. Ha raccolto inoltre campioni di terreno usando un braccio robotico e un laboratorio biologico appositamente sviluppato scoprendo che il pianeta freddo aveva un suolo vulcanico, un'atmosfera con anidride carbonica secca e tracce di antichi alvei fluviali e vaste alluvioni.
Dopo una pausa di vent'anni, a metà degli anni Novanta, la NASA era pronta per il passo successivo dell'esplorazione di Marte e il ritorno con i rover. Per questi viaggi NASA era alla ricerca di motori industriali standard, sufficientemente robusti da poter raggiungere Marte. Ed è qui che ha ufficialmente inizio la storia di maxon su Marte. Quando NASA/JPL hanno iniziato la loro ricerca, sapevano di avere bisogno di alcune specifiche cruciali che avrebbero reso il motore più adatto per la missione. Ad esempio, i problemi maggiori erano correlati alla capacità dei motori di resistere alla bassa pressione ambientale nonché a urti e vibrazioni, non solo durante il lancio ma anche in occasione del difficile atterraggio che avrebbero affrontato. Gli estremi cicli di variazione della temperatura a cui avrebbero dovuto funzionare i motori era un'ulteriore fonte di preoccupazione.
Solo nel 1997 si è potuto assistere al successo dell'atterraggio su Marte del primo rover. Il Sojourner Pathfinder comprendeva dieci motori RE 16 DC come prova per verificare il funzionamento della progettazione di motori semi-customizzati. maxon ha fornito i motori di tipo industriale di elevata qualità e lunga durata con una personalizzazione molto limitata per il viaggio. Poi, nel gennaio 2004, due geologi robotizzati chiamati Spirit e Opportunity sono atterrati su lati opposti di Marte. Dotati di una mobilità molto superiore a quella del rover Pathfinder, il loro obiettivo principale consisteva nell'esplorazione scientifica. Ciascuno di questi rover era dotato di 35 motori maxon DC (RE 20 e RE 25) più gli encoder MR.
I motori sono stati usati per svariate applicazioni su ciascun rover, tra cui la guida delle ruote, l'apertura dei pannelli fotovoltaici, l'estensione dei bracci e molto altro. Dopo 15 anni e 45 km di tragitto, la missione di Opportunity è giunta al termine. La scienza era il fulcro della missione: il rover doveva scoprire se nella storia del pianeta ci sia stato un momento in cui sulla superficie di Marte è stata presente l'acqua, come ha dimostrato una foto degli strati sedimentari. A fine novembre 2018, InSight è atterrato su Marte ed è stato il primo a utilizzare la nuova generazione del motore DCX con spazzole e il primo riduttore maxon su Marte.
Collaborazione e progressi tecnologici
La collaborazione con altri partner industriali e centri spaziali come NASA/JPL consente di condividere le esperienze e le competenze tra tutte le parti con i conseguenti progressi nelle funzioni tecnologiche ad ogni livello. Le conoscenze acquisite facilitano non solo i progressi tecnologi dei componenti semi-customizzati per usi esclusivi quali le missioni esplorative nello spazio, ma permette inoltre ai produttori di utilizzare i dati per sviluppare ulteriormente le tecnologie utilizzate per i prodotti industriali standard. Dato che ogni missione dei rover marziani richiede una sempre maggiore flessibilità e capacità, la collaborazione è un fattore chiave.
Il primo motore DCX di maxon e il riduttore planetario sono stati implementati in un meccanismo che utilizzava un metodo analogo a un battipalo da cantiere per inserire una sonda termica in profondità nel terreno. (Foto per gentile concessione della NASA)
Le collaborazioni efficienti permettono ai partecipanti di comprendere cosa ha funzionato e cosa no, cosa può essere modificato per una migliore prestazione e come individuare nuove opportunità di ampliamento della ricerca. Ad esempio, MDA è specializzata nella progettazione di attuatori personalizzati. L'azienda incorpora riduttori, freni ed encoder di maxon nel loro attuatore ExoMars. A causa dell'elevata precisione richiesta nell'intero processo di produzione, MDA e maxon hanno collaborato alla creazione di speciali tecniche di assemblaggio che comprendono un dado per ogni singolo bullone (4.000) e il valore di coppia all'interno dell'unità. Delle 70 unità realizzate, 12 verranno inviate quando la missione ExoMars prenderà il volo nel 2022.
Quella con Flight Works, un'azienda che ha rivoluzionato la propulsione dei veicoli spaziali usando motori elettrici industriali leggermente modificati, è stata un'altra proficua collaborazione che ha contribuito all'avanzamento di funzioni e opportunità dando vita a nuove missioni sulla Luna, su Marte e oltre. Flight Works è un'azienda leader delle micropompe ad alta densità di potenza per i mercati commerciali e aerospaziali (UAV e altri sistemi di propulsione spaziale). Le unità sono composte micropompe ad azionamento elettrico che producono densità molto elevate, possibili grazie ai motori industriali senza spazzole di maxon modificati per le vibrazioni e gli urti del lancio nonché per gli ambienti spaziali. I prodotti dell'azienda hanno permesso il drastico aumento dell'ultimo decennio di lanci CubeSat nonché la missione Lunar Flashlight di NASA/JPL.
La propulsione alimentata a pompe consente nuove operazioni nello spazio. Grazie all'integrazione di motori maxon EC flat e di motori industriali a 4 poli EC, Flight Works è in grado di progettare e produrre pompe a girante da 32 mm, pompe a idrazina da 22 mm e criopompe LOX/metano. Queste micropompe permettono ai sistemi di propulsione a pompa di funzionare in una serie di missioni con piccoli veicoli spaziali che utilizzano le pompe per una serie di operazioni (tra cui la propulsione, la gestione dei fluidi e il raffreddamento del veicolo spaziale oltre al rifornimento e l'assistenza in orbita) e che verranno impiegate in futuro per le missioni di ritorno su Marte.
Un'altra applicazione in cui i motori industriali semi-customizzati hanno trovato impiego nelle applicazioni aerospaziali comprende l'International Berthing and Docking Mechanism (IBDM) utilizzato per l'attracco tra loro di due veicoli spaziali con equipaggio come ad esempio il collegamento di Dream Chaser con la Stazione Spaziale Internazionale. Le società commerciali stanno inoltre integrando i motori maxon nei veicoli spaziali, come SpaceX Cargo Dragon che utilizza dieci motori DC senza spazzole EC 40 per la rotazione dei pannelli solari, l'apertura dello sportello del vano di carico e il bloccaggio in sede del dispositivo di presa.
L'attuatore elettromeccanico Bogie incorpora un motore maxon DCX 22L con riduttore GP 32HD e un encoder integrato per la trazione a ruote di ExoMars
Tecnologia per le missioni di oggi
La tecnologia è importante quando le progettazioni devono superare i propri limiti e fornire una maggiore precisione durante le operazioni in ambienti difficili in cui il fallimento non è un'opzione contemplata. Le progettazioni semi-personalizzate e personalizzate possono richiedere modifiche di minore entità per realizzare notevoli differenze in termini di funzionalità.
Sulla strada verso Marte, la missione Mars 2020 di NASA/JPL (sistema per il prelievo e la movimentazione di campioni), impiegherà un rover simile a Curiosity ma con un pacchetto di strumenti più grande e resistente. L'obiettivo consiste nella raccolta e l'analisi di campioni, nella selezione dei campioni migliori e nel deposito degli stessi sulla superficie di Marte. Verrà poi inviato un altro rover che raccoglierà i campioni e li riporterà sulla Terra. I motori DC brushless di maxon sono stati personalizzati e verranno utilizzati per movimentare i preziosi campioni di Marte, compreso il mandrino della trivella che preleverà i campioni di terreno. Il campione verrà quindi trasferito in un carosello sul rover. Un motore maxon è utilizzato anche nel piccolo braccio robotico che sposta il campione alle stazioni di ispezione visiva, sigillatura e deposito.
Come per le missioni sperimentali precedenti, la strumentazione per la missione Mars 2020 comprende un componente mai provato prima: Ingenuity, il primo elicottero. Come prova a basso costo volta a verificare se l'elicottero è in grado di volare nell'atmosfera marziana, questa è una delle missioni più rivoluzionarie finora compiute. Ingenuity comprende sei motori DC con spazzole. (DCX 10S come attuatori del piatto oscillante per la regolazione del passo dei rotori) che provvedono alle manovre di Ingenuity. Poiché l'elicottero comprende due rotori, per ognuno di questi verranno utilizzati tre motori per un totale di sei motori. I motori sono molto simili ai motori industriali standard ma presentano modifiche interne per rispondere agli urti e alle vibrazioni del viaggio nonché per il funzionamento nell'atmosfera a bassa pressione di Marte.
Durante l'esplorazione del sistema solare nei prossimi anni è utile sapere che i componenti industriali standard possono essere incorporati in veicoli spaziali, rover e nella strumentazione per le analisi. Con piccole modifiche, i componenti critici come motori e riduttori aiutano gli scienziati a plasmare il futuro delle esplorazioni di altre lune e pianeti. Negli ultimi decenni è stato possibile progredire nella progettazione dei motori grazie al fatto di avere imparato da ogni missione passata e di applicare concetti simili all'industria in generale. L'avanzamento della tecnologia è un processo mentale in cui i progettisti si chiedono continuamente:“Cos'altro possiamo ottenere?” Quando l'adattamento a nuovi ambienti richiede livelli superiori di funzionalità, le aziende possono essere certe che non solo condurranno il gioco ma anche i loro prodotti standard subiranno un'evoluzione.
