Alla scoperta del sistema di Giove

Gli azionamenti FAULHABER in missione

La sonda spaziale JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer) è a bordo di una missione straordinaria: sta viaggiando verso una destinazione lontanissima, a circa 778 milioni di chilometri. Un'avventura scientifica che durerà complessivamente otto anni.

JUICE consentirà all'Agenzia Spaziale Europea (ESA) di esplorare le tre grandi lune ghiacciate di Giove: Ganimede, Europa e Callisto. Per indagare più a fondo questi affascinanti satelliti, la sonda è stata lanciata nello spazio il 14 aprile 2023 a bordo di un razzo Ariane 5. Il viaggio verso il sistema gioviano durerà diversi anni: l'arrivo a destinazione è previsto per il 2031. A bordo trasporta dieci strumenti scientifici altamente specializzati, capaci di effettuare misurazioni precise in condizioni estreme. Tra questi ce n'è uno sviluppato dall'Università svizzera di Berna, reso possibile anche grazie alla tecnologia ad alta precisione FAULHABER.

Giove non avrà più segreti grazie allo spettrometro di massa NIM

L'Università di Berna ha svolto un ruolo di primo piano all'interno della missione JUICE contribuendo non solo allo sviluppo di diversi strumenti scientifici bensì anche alla progettazione del cosiddetto NIM (acronimo di Neutral and Ion Mass spectrometer): uno spettrometro di massa di altissima precisione destinato all'esplorazione delle lune gioviane. Il NIM fa parte della cosiddetta «Nadir Unit» che è stata completamente sviluppata, integrata e sottoposta a rigorosi test proprio presso l'ateneo di Berna. Insieme ad altri due sensori per particelle, il NIM costituisce il cuore della suite di strumenti PEP (Particle Environment Package).

L'obiettivo dello spettrometro NIM è quello di analizzare la composizione chimica, la distribuzione e le proprietà fisiche delle particelle presenti nelle atmosfere di questi satelliti ghiacciati. I dati ottenuti serviranno, tra l'altro, a capire se su questi corpi celesti esistano condizioni potenzialmente favorevoli alla vita. Tuttavia, l'ambiente estremo del sistema gioviano pone sfide enormi nei confronti della tecnologia: le radiazioni di intensità estrema generate dal potentissimo campo magnetico di Giove sono in grado di distruggere anche i componenti elettronici più robusti nell'arco di poco tempo.

Per proteggere il NIM e l'intera unità Nadir da questa forte esposizione alle radiazioni, sono state adottate speciali misure schermanti. La carcassa dell'elettronica è realizzata in tungsteno, un materiale dalla densità straordinariamente elevata, che costituisce una barriera efficace contro le particelle ad alta energia. Un altro aspetto critico riguarda il rivelatore dello spettrometro di massa: poiché le particelle ad alta energia presenti nel sistema gioviano generano segnali simili a quelli dei veri oggetti di misura – atomi e molecole di gas ionizzati – rilevazioni non schermate rischierebbero di perdersi nel rumore di fondo. Per questo motivo il cuore sensibile del rivelatore, costituito da due sottili dischi di vetro di appena 0,3 mm di spessore e 10 mm di diametro, è stato ulteriormente protetto con una schermatura aggiuntiva realizzata con 1,5 kg di tungsteno e tantalio.

Oltre alla protezione dalle radiazioni, è fondamentale anche la massima affidabilità degli strumenti. Dato che non è possibile effettuare riparazioni nello spazio, ogni singolo aspetto della progettazione è stato concepito con diversi livelli di protezione fin dallo sviluppo. In alcuni casi, si è scelto deliberatamente di rinunciare a margini di riserva prestazionali per garantire la massima affidabilità operativa nelle difficili condizioni del sistema gioviano.

Precisione nello spazio con gli azionamenti FAULHABER

To precisely analyze the chemical composition of the atmospheres of Jupiter's moons, the NIM mass spectrometer needs a flexible measurement strategy. Here, a mechanism is used which can switch between various measuring modes. Depending on the mode, different entrance openings are used, which have to be opened or closed accordingly. To provide the required high-precision control, a specially developed drive based on tried-and-tested FAULHABER components was integrated.

The heart of the drive is a combination of an 8 mm brushless DC-motor (series 0824 … B) and a 10 mm planetary gearhead with a reduction of 1:256. Dr. Daniele Piazza from the Space Research & Planetary Sciences department at the University of Bern explains why this drive solution was selected: "On the one hand, the chosen combination has to provide the necessary characteristics, such as torque, reduction and compactness. On the other hand, the drives also need to withstand the harsh conditions of the space mission." To ensure their reliability, the magnets of the motors were subjected to intensive radiation testing in the cyclotron at the Inselspital, the University Hospital of Bern. Furthermore, the windings of the motors were baked in a vacuum at 100 °C to minimize outgassing and to ensure long-term functionality.

Without this high-precision drive, it would not be possible to exploit the full potential of the NIM instrument. The ability to switch between different measuring modes significantly broadens the scope of the scientific studies and contributes considerably to the success of the JUICE mission. FAULHABER drive technology therefore makes a decisive contribution to exploring the icy moons of Jupiter.