A compact surface sample analyzer for small bodies exploration missions

Exploring small bodies like asteroids and planetary moons provides a valuable opportunity to enhance our understanding of the Solar System's formation and evolution. However, conducting in-situ analysis on low-gravity, regolith-covered targets presents technical and operational challenges. This thesis focuses on the preliminary design of a compact Surface Sample Analyzer to acquire and process regolith samples from Deimos, Mars's smaller moon, while adhering to 1U CubeSat volume and mass constraints. A trade-off study using AHP methodology, based on mechanical and operational requirements, identified an architecture consisting of a rotary–translational drill and an enclosed screw conveyor for regolith transport. An analytical approach was initially adopted for drill geometry sizing and performance estimation, relying on a Perforation Force Rotation Torque model with a conveyor model. Subsequently, a more detailed Discrete Element Method (DEM) simulation was performed to validate these initial results, modeling granular interactions—including cohesion, thermal and electrostatic effects—under Deimos's low-gravity conditions. The DEM campaign demonstrated that while material enters the drill core reliably, final conveyance to the sample chamber is strongly influenced by screw geometry, radial clearances, and soil compaction. Based on these findings, the drill design was modified by removing one layer of cutters and refining the conveyor parameters. A test campaign is outlined to confirm throughput using a simplified prototype in 1g lab conditions. The integrated drilling-conveyor system preliminary assessed the feasibility of acquiring and processing a regolith sample within a 1U payload, enabling new scientific opportunities for future small-body exploration missions.

L'esplorazione di corpi minori, come asteroidi e lune planetarie, offre un'opportunità preziosa per approfondire la comprensione della formazione e dell'evoluzione del Sistema Solare. Tuttavia, condurre analisi in-situ in ambienti caratterizzati da bassa gravità e ricoperti di regolite presenta sfide tecniche e operative significative. Questa tesi si concentra sulla progettazione preliminare di un Surface Sample Analyzer compatto, destinato all'acquisizione di campioni di regolite da Deimos, la più piccola delle lune di Marte, rispettando il vincolo di volume e massa di 1U. Uno studio di trade-off, condotto utilizzando la metodologia AHP basata su requisiti meccanici e operativi, ha portato all'identificazione di un'architettura costituita da un trapano rototraslazionale e da un trasportatore a vite interno per il trasporto della regolite. Inizialmente, è stato adottato un approccio analitico per il dimensionamento della geometria della punta del trapano e per la stima delle sue prestazioni, integrando un modello di Perforation Force Rotation Torque con un modello del trasportatore. Successivamente, è stata eseguita una simulazione più dettagliata basata sul Metodo degli Elementi Discreti (DEM) per validare i risultati iniziali, modellando le interazioni granulari, inclusi gli effetti di coesione, termici ed elettrostatici, nelle condizioni di bassa gravità di Deimos. La campagna DEM ha dimostrato che, sebbene il materiale entri all'interno della punta, il trasporto verso la camera di campionamento è fortemente influenzato dalla geometria della vite, dalle tolleranze radiali e dal grado di compattazione del suolo. Sulla base di questi risultati, il design del trapano è stato modificato rimuovendo un livello di taglienti e affinando i parametri del trasportatore. È stata inoltre delineata una campagna di test per verificare la capacità di trasporto utilizzando un prototipo semplificato in condizioni di laboratorio in 1g. Il sistema progettato, in via preliminare, ha mostrato la fattibilità di acquisizione e movimentazione di un campione di regolite all'interno di uno strumento di 1U, aprendo nuove opportunità scientifiche per le future missioni di esplorazione dei corpi minori.