From design to functional testing of a miniaturized sampling tool for loose planetary soils

The exploration of small bodies, such as moons, asteroids, and comets, is fundamental to understanding the history and evolution of the Solar System, and for this reason in-situ analyses require compact sampling systems capable of operating on regolithic granular terrain. This thesis develops and evaluates a miniaturized device for surface sampling of loose granular soils, focusing on material extraction and transport phenomena. The main objective is to analyze how auger geometry, operating conditions, and material properties influence engagement, transport continuity, and process instability. The adopted approach combines a review of existing sampling architectures with simplified analytical models, used as a qualitative reference to interpret the main mechanical trends. Since the investigated miniaturized sampling tool has no equivalent and represents a novel configuration, an extensive experimental campaign was conducted under terrestrial conditions using a carbonaceous asteroid simulant. The main geometric and operational parameters of the internal screw were systematically varied, in particular pitch, diameter, immersion depth, rotational speed, and inclination, while acquiring the temporal evolution of torque and extracted masses for system characterization. The analysis identified different operating regimes, including stable extraction, local accumulation, intermittent transport, and jamming. The results show that performance depends on correct material engagement, ensuring direct exposure of the screw to the material, and on immersion depth, while the inclination is particularly critical for transport initiation, affecting continuity and flow rate. The observed torque fluctuations confirm the non-stationary nature of the process. Finally, the experimental campaign enables the definition of geometric criteria and operational preliminary guidelines for the design of compact mechanisms for the transport and collection of granular material in planetary exploration.

L'esplorazione di corpi minori, come lune, asteroidi e comete è essenziale per comprendere la storia e l'evoluzione del Sistema Solare. Le analisi in-situ richiedono sistemi di campionamento compatti per operare su terreni caratterizzati da regolite; questa tesi studia i fenomeni di estrazione e trasporto del materiale, sviluppando e testando un sistema miniaturizzato per il campionamento superficiale di terreni granulari sciolti. In questo contesto l'obiettivo principale è analizzare come la geometria dell'auger, le condizioni operative e le proprietà del materiale influenzino l'ingaggio, la continuità del trasporto e le condizioni di stabilità del processo. L'approccio adottato combina una revisione delle architetture di campionamento esistenti con l'impiego di modelli analitici semplificati, utilizzati come riferimento qualitativo per interpretare le principali tendenze meccaniche. Poiché il dispositivo miniaturizzato studiato non ha equivalenti e rappresenta una configurazione innovativa, è stata eseguita una campagna sperimentale in condizioni terrestri impiegando un simulante asteroidale carbonaceo. Durante la campagna i principali parametri geometrici e operativi della vite interna sono stati sistematicamente variati, nello specifico: passo, diametro, profondità di immersione, velocità di rotazione e inclinazione, si sono poi acquisite le evoluzioni temporali di coppia e delle masse estratte per la caratterizzazione del sistema. L'analisi ha permesso di identificare diversi regimi di funzionamento, tra cui estrazione stabile, accumulo locale, trasporto intermittente e fenomeni di jamming. I risultati hanno mostrato come le prestazioni dipendano dal corretto ingaggio del materiale, dall'esposizione diretta della vite interna al materiale e dalla profondità di immersione, e come l'inclinazione del sistema risulti particolarmente critica per l'innesco del trasporto, influenzando la continuità e la portata. Le fluttuazioni osservate nei segnali di coppia hanno confermato la natura non stazionaria del processo. La campagna sperimentale proposta ha anche permesso di definire criteri geometrici e indicazioni operative preliminari utili alla progettazione di meccanismi miniaturizzati per il trasporto e la raccolta di materiale granulare nell'esplorazione planetaria