Microgravity simulation and in-situ scientific use of the instrument SD2

Comets represent the best candidates to answer some fundamental questions about the origin of the Solar System and life on Earth. The study of the comet 67P/ Churyumov - Gerasimenko is the goal of Rosetta mission, which will exploit both an orbiter and a lander for operations on the cometary crust. The lander’s Sampler, Drill and Distribution subsystem (SD2) will play a key role on the in-situ analyses that will be performed by drilling the cometary soil, retrieving soil’s specimens and distributing those samples to COSAC, PTOLEMY and ÇIVA experiments. The environment in which SD2 has to operate will be extreme. Along with harsh conditions on temperature and pressure, the cometary nucleus will be subjected to microgravity. Little is known on how this last condition will affect the behavior of SD2, so this work will focus on the realization of drilling, sampling and discharge tests in simulated microgravity condition inside the SD2 Facility at Politecnico di Milano. The results of these tests will help to better characterize SD2 operations. SD2 will be also in a privileged position to study the cometary nucleus. It is planned to exploit the driller as a scientific instrument, characterizing the nucleus mechanical properties through the available telemetry. To achieve such result scientific procedures were developed in the past years, but suffered of several drawbacks such as excessive power and time consumption or limited sensitivity range. A new procedure will be also studied, correlating the mechanical properties of the cometary crust to the stall translation velocity, to overcome the past difficulties.

Le comete rappresentano i migliori candidati per rispondere a domande riguardanti le origini del Sistema Solare e alla nascita della vita sulla Terra, poiché sono corpi celesti rimasti virtualmente immutati dall’origine del Sistema Solare stesso. La missione Rosetta, facente parte del programma scientifico "Horizon 2000" promosso dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA), ha l’obiettivo di studiare la cometa 67P/ Churyumov - Gerasimenko. In particolare, il lander Philae eseguirà operazioni in-situ sul suolo cometario, analizzando dati da una posizione assolutamente priviligiata. In quest’ottica, lo strumento Sampler, Drill and Distribution (SD2) rivestirà un ruolo chiave. Esso eseguirà perforazioni, campionamenti del suolo cometario e distribuirà tali campioni agli esperimenti COSAC, PTOLEMY e ÇIVA, presenti sul lander. L’ambiente in cui SD2 andrà a operare sarà estremo, pertanto una caratterizzazione del suo funzionamento in tali condizioni aiuterà a meglio comprendere le criticità che questo strumento dovrà affrontare. Tra le varie difficoltà che saranno presenti, la microgravità rappresenta una problematica ancora poco investigata sperimentalmente. Il meccanismo con cui viene effettuato il campionamento, che sfrutta il sampling tube, può essere influenzato notevolmente dalle condizioni di microgravità. Perciò è oggetto di studio di questo lavoro la simulazione della microgravità durante test di perforazione, campionamento e rilascio effettuati presso la SD2 Facility del Politecnico di Milano. Test in condizioni di caduta libera non sono realizzabili, poiché i tempi caratteristici di funzionamento dello strumento precludono l’utilizzo di metodologie assodate quali il volo parabolico o le drop tower. Si è scelto quindi di non simulare la microgravità, ma di annullare gli effetti benefici della gravità terrestre durante le operazioni di SD2, in particolare nel rilascio dei campioni dal sampling tube all’interno degli oven. Nella sua attuale configurazione verticale, la gravità favorisce tale rilascio. Una struttura di supporto orizzontale per SD2 è stata progettata e realizzata. Tale struttura implementa gran parte degli elementi già esistenti in quella preesistente, e risponde ai requisiti in termini di spazio e funzionalità richiesti per operare all’interno del laboratorio. In seguito, test di campionamento sono stati svolti su campioni in Gasbeton e Foamglas per verificare il corretto funzionamento dello strumento in condizioni orizzontali. I risultati che si sono ottenuti rivelano una serie di criticità non verificatesi nel suo utilizzo in posizione verticale; tra le maggiori riscontrate vi sono il fallimento della procedura di riarmo della punta in seguito a polvere depositata all’esterno del sampling tube ed al riempimento del rearming oven, nonché la perdita di materiale dagli oven durante la rotazione del carousel. Sebbene in quest’ultimo caso la gravità sia il maggiore responsabile, un contributo è imputabile anche alle forze centrifughe, che sul nucleo cometario saranno dominanti. Lo studio di SD2 come strumento scientifico rappresenta un secondo campo di interesse per questo lavoro. Varie procedure per l’uso scientifico di SD2 sono state proposte in passato. Tutte si basano sull’analisi di diversi dati telemetrici per ottenere informazioni sulle caratteristiche meccaniche del suolo cometario. La procedura qui proposta lega la velocità di traslazione alla quale si verifica lo stallo del trapano con la resistenza a taglio del campione. Partendo dalla teoria dei trapani rotativi e da letteratura scientifica, è stato sviluppato un test che consiste nell’effettuare perforazioni a velocità di translazione del trapano crescenti, mantenendo costanti i valori di coppia e di velocità di rotazione. I risultati dei test di laboratorio contotti su provini in Gasbeton, Foamglas, Rohacell e Styrofoam hanno permesso la costruzione di una curva di calibrazione, in grado di legare la velocità di stallo con la resistenza a taglio attraverso una legge di potenza. Un set completo di mission plan è stato realizzato, al fine di poter replicare in-situ la procedura eseguita in laboratorio.