Rivista di informazione del Dipartimento di Ingegneria Industriale
Università di Trento
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Le onde gravitazionali rappresentano una delle più importanti rivoluzioni dell’astrofisica moderna. Predette dalla teoria della Relatività Generale di Einstein, sono perturbazioni dello spazio-tempo generate da alcuni dei fenomeni più energetici dell’Universo, come la fusione di buchi neri e stelle di neutroni. La loro prima osservazione diretta, avvenuta nel 2015 grazie agli interferometri terrestri LIGO, ha inaugurato una nuova era dell’astronomia, rendendo possibile studiare l’Universo attraverso un canale di osservazione complementare alla radiazione elettromagnetica.
Alle basse frequenze, tuttavia, i rivelatori terrestri sono limitati dal rumore sismico e da altre perturbazioni ambientali. Per estendere la banda osservabile è quindi necessario portare gli strumenti nello spazio. Da questa esigenza nasce LISA (Laser Interferometer Space Antenna), missione guidata dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA) con l’obiettivo di realizzare il primo osservatorio spaziale per le onde gravitazionali.
LISA sarà costituita da tre satelliti disposti ai vertici di un triangolo equilatero con lati lunghi circa 2,5 milioni di chilometri. Un interferometro laser misurerà variazioni estremamente piccole della distanza relativa tra masse di prova (test masses, TM) in caduta libera.
Il raggiungimento delle prestazioni richieste dalla missione necessita dello sviluppo di tecnologie innovative, molte delle quali sono già state validate da LISA Pathfinder (LPF), la missione dimostrativa che ha preceduto LISA. Tra i sottosistemi più critici del Gravitational Reference System (GRS) figurano i meccanismi di caging e release della massa di prova, che devono trattenerla durante il lancio e rilasciarla una volta in orbita con una velocità residua estremamente ridotta, nell’ordine dei micrometri al secondo.
Questa delicata operazione è affidata al Grabbing, Positioning and Release Mechanism (GPRM), un meccanismo di precisione progettato per afferrare, riposizionare e infine rilasciare la massa di prova.
Durante la missione LISA Pathfinder sono state però osservate velocità residue significativamente superiori alle previsioni, segnale di un comportamento non nominale del meccanismo. Le successive campagne sperimentali, condotte sia in volo sia a terra, hanno mostrato che queste anomalie erano riconducibili ad alcune imperfezioni nella dinamica del GPRM. Tali imperfezioni riducevano il gap tra l’end-effector del meccanismo e la massa durante il rilascio, provocando impatti indesiderati e il conseguente trasferimento di quantità di moto alla massa di prova.
Il progetto di ricerca si inserisce nel programma di sviluppo del nuovo GPRM per LISA, portato avanti da OHB Italia sulla base dell’eredità tecnologica di LISA Pathfinder e del trasferimento di know-how con RUAG Space, oggi Beyond Gravity. L’obiettivo principale è stato comprendere le cause delle anomalie osservate durante LPF, sviluppare strumenti di analisi predittiva e contribuire alla definizione del nuovo design del meccanismo.
Una prima fase della ricerca ha riguardato lo sviluppo di modelli dinamici capaci di descrivere il comportamento del GPRM durante le operazioni di grabbing, positioning e release. I modelli sono stati elaborati per spiegare i fenomeni non nominali emersi durante LISA Pathfinder e individuare i meccanismi fisici responsabili del degrado delle prestazioni.
La loro validazione è avvenuta attraverso un’estesa attività sperimentale condotta sull’Engineering Qualification Model (EQM) del meccanismo utilizzato in LPF. È stato così possibile stabilire una correlazione quantitativa tra le simulazioni e i risultati sperimentali.
Sulla base delle conoscenze acquisite è stata quindi avviata un’attività di analisi e progettazione per individuare modifiche al GPRM capaci di migliorarne il comportamento dinamico e rendere il rilascio più robusto rispetto alle inevitabili variazioni costruttive e operative.
Le soluzioni proposte sono state implementate e verificate attraverso una campagna di prove sul Breadboard Model (BBM). I risultati sperimentali hanno confermato il miglioramento delle prestazioni del nuovo design e contribuito alla definizione della configurazione di riferimento del meccanismo destinato a LISA.
Parallelamente allo sviluppo del GPRM, la ricerca ha affrontato uno degli aspetti più critici dell’intero processo: l’evoluzione del gap tra l’end-effector e la massa di prova durante le diverse fasi operative. Mantenere un’adeguata distanza tra le due superfici è infatti essenziale per evitare impatti e garantire un rilascio conforme ai requisiti della missione.
A questo scopo è stato sviluppato un modello analitico semplificato, in grado di descrivere l’evoluzione del gap in funzione dei principali parametri di progetto. Il modello tiene conto degli spostamenti nominali e non nominali del sistema, delle vibrazioni strutturali, delle tolleranze dimensionali e degli errori di allineamento. Consente così di prevedere quantitativamente la distanza tra la massa e l’end-effector durante tutte le fasi del rilascio.
Questo strumento ha permesso, da un lato, di spiegare le principali cause dei rilasci fuori requisito osservati durante LISA Pathfinder e, dall’altro, di valutare rapidamente l’efficacia delle modifiche progettuali proposte per LISA, diventando un importante supporto alle decisioni di progetto.
L’ultima parte del dottorato è stata dedicata alla progettazione di una nuova facility sperimentale per verificare le prestazioni del GPRM destinato alla missione LISA. La struttura è stata concepita per caratterizzare il rilascio nominale del meccanismo in condizioni rappresentative della missione, verificare il rispetto dei requisiti relativi alla velocità residua della massa di prova e supportare le future campagne di qualifica del sistema.
Nel complesso, il lavoro ha contribuito allo sviluppo del nuovo GPRM per LISA, integrando modellazione, sperimentazione, progettazione meccanica e definizione delle metodologie di prova. I modelli hanno consentito di comprendere le cause fisiche delle anomalie osservate durante LISA Pathfinder, mentre le campagne sperimentali hanno permesso di validare le soluzioni adottate e consolidare la nuova configurazione del meccanismo.
Gli strumenti analitici e la facility di prova sviluppati costituiscono infine un supporto fondamentale per verificare le prestazioni del GPRM nelle successive fasi della missione: un passaggio essenziale affinché LISA possa ascoltare, dallo spazio, i segnali più profondi dell’Universo.
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