Feasibility analysis of an astrochemistry payload for CubeSat

Astrobiology is an inter-disciplinary science aiming to study the origins of life in the universe. In particular, the sub-field of astrochemistry deals with the distribution of molecules in the universe and how they behave in the different environments. This master thesis is dealing with the understanding of photochemical degradation processes and the stability of relevant organic molecules, when they are exposed to radiations and solar rays in deep space. These molecules are selected among interesting ones recently detected in deep space or molecules involved in biological and structural pathways. In order to better model their degradation processes, the feasibility of a in-situ analysis platform mounted on a minia- ture CubeSat payload is studied. The high level and functional requirements which arise from such objective are formulated and an high-inclination LEO orbit is chosen to satisfy both accessibility and a significant irradiation intensity. The molecules’ stability can be studied in-situ through different innovative spectroscopy techniques, which are compared to suit the different requirements at best. Regarding their precision and miniaturisation, two techniques are used on-board. First Fourier-transform infrared spectroscopy provides insight on the molecules’ structures while using the Sun as a light source. Then, the evolution of the molecular concentration and the kinetics of the photochemical degrada- tion reactions can be assessed by fluorescence spectroscopy induced by LEDs in the UV range. The instruments to perform such methods are set up in order to suit the payload’s size and configuration. Indeed, to carry out spectroscopy on all the samples, this thesis proposed a design including cylindrical sample cells fixed in a rotating ring. The rotation of the ring allow the samples to regularly change configuration and be analyzed in-situ throughout the whole mission, thanks to both infrared and fluorescence spectrometer. To this experiment are added sensors to assess the encountered environment, in terms of radiations levels, sunlight intensity and temperature.

L’astrobiologia è una scienza interdisciplinare che mira a studiare le origini della vita nell’universo. In particolare si occupa della distribuzione delle molecole nell’universo e del loro comportamento in diversi ambienti. Questa tesi di laurea magistrale si occupa della comprensione dei processi di degradazione fotochimica e della stabilità di molecole organiche rilevanti quando esposte a radiazioni e raggi solari nello spazio profondo. Le molecole sono selezionate fra le più interessanti tra quelle osservate di recente nello spazio profondo o tra quelle coinvolte in percorsi biologici e strutturali. Al fine di modellare al meglio i loro processi di degradazione viene effettuato uno studio di fattibilità di una piattaforma di analisi in situ montata su un payload miniaturizzato. In base a tale obiettivo vengono formulati i requisiti funzionali e di alto livello e viene scelta un’orbita LEO ad alta inclinazione in modo da soddisfare sia l’accessibilità sia una significativa intensità di irradiazione. La stabilità delle molecole può essere studiata ́in-situ ́ attraverso diverse tecniche innovative di spettroscopia che vengono confrontate per soddisfare al meglio i diversi requisiti. Per quanto riguarda la precisione e la miniaturizzazione vengono utilizzate due tecniche a bordo: la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier fornisce informazioni sulla struttura delle molecole utilizzando il Sole come fonte di luce, mentre l’evoluzione della concentrazione molecolare e la cinetica delle reazioni di degradazione fotochimica possono essere valutate mediante la spettroscopia di fluorescenza indotta da LED nella gamma UV. Gli strumenti per l’esecuzione di tali metodi sono impostati in modo da adattarsi alle dimensioni e alla configurazione del payload. Infatti, per effettuare la spettroscopia su tutti i campioni, questa tesi propone un progetto che include cellule campione cilindriche fissati su un anello rotante. La rotazione dell’anello consente ai campioni di cambiare regolarmente configurazione e di essere analizzati in situ durante l’intera missione, grazie a uno spettrometro a infrarossi e a uno a fluorescenza. A questo esperimento si aggiungono sensori per valutare l’ambiente circostante in termini di livelli di radiazione, intensità della luce solare e temperatura.