I rifiuti causano problemi non solo sulla Terra, ma anche nello spazio. Un team di ricerca dell’Università di Scienze Applicate e Arti di Lucerna sta attualmente sviluppando un rilevatore di detriti spaziali. In questo modo è possibile controllare autonomamente i satelliti che in futuro dovranno pulire lo spazio.
c’è un’enorme confusione sopra le nostre teste: nelle orbite terrestri basse - a circa 800 km sopra la Terra - girano attualmente circa 5.500 satelliti attivi e difettosi. Inoltre, ci sono innumerevoli pezzi di detriti, motori di razzi scartati e strumenti che sono scivolati dalle mani degli astronauti.La spazzatura celeste è pericolosa
Nello spazio, anche le particelle più piccole si trasformano in proiettili distruttivi ad alta velocità. La Stazione Spaziale Internazionale (ISS) con equipaggio deve già schivare regolarmente pezzi di spazzatura. Anche le traiettorie dei satelliti devono essere modificate frequentemente a causa dei detriti.Secondo le stime dell’Agenzia spaziale europea (ESA), attualmente nello spazio circolano quasi un milione di oggetti di dimensioni superiori a un centimetro. Gli esperti temono che l’esistenza dei viaggi nello spazio sia a rischio se i detriti spaziali non verranno rimossi in tempi ragionevoli. L’ESA ha quindi lanciato la missione "ClearSpace-1". Con questo progetto si vuole sviluppare una sonda in grado di rintracciare la spazzatura, agganciarla e farla precipitare in modo controllato, in modo che bruci nell’atmosfera terrestre senza causare danni.
Armeggiare a Horw per la pulizia nello spazio
Anche l’Università di Scienze Applicate e Arti di Lucerna sta contribuendo allo sviluppo di questo cosiddetto satellite cacciatore. Un team di ricerca di cinque membri, guidato da Jürgen Wassner e Klaus Zahn, sta attualmente lavorando a un rilevatore in grado di individuare in modo affidabile i detriti spaziali e di guidare autonomamente il satellite hunter in direzione di un detrito."Con l’aiuto di una simulazione al computer, stiamo cercando di capire, tra le altre cose, quante immagini deve scattare al secondo una telecamera installata sul satellite hunter per poter rilevare in modo affidabile un oggetto e agganciarlo in modo sicuro", spiega Klaus Zahn, esperto di computer vision e machine learning.
La ricerca della frequenza ottimale dei fotogrammi avviene per una buona ragione: il processore collegato alla fotocamera ha bisogno di memoria e di energia per elaborare i dati di ogni immagine. Nello spazio, tuttavia, l’energia è scarsa: dovranno bastare alcuni piccoli pannelli solari montati sul satellite cacciatore. Il processore non deve essere troppo pesante, perché così è più facile trasportarlo nello spazio. È qui che entra in gioco Jürgen Wassner: esperto di informatica embedded e di progettazione di sistemi, è specializzato nello sviluppo di algoritmi il più possibile efficienti, ovvero di regole di calcolo, per questi mini-computer.
Prova generale realistica nello spazio virtuale
"Lavoriamo con le simulazioni perché non possiamo volare nello spazio per un breve periodo per testare le nostre telecamere o il controllo di un satellite in loco", spiega Wassner. Il team ha scelto il satellite "Sentinel-6" come primo campione di rottami che il satellite cacciatore deve smaltire nello studio del modello. Questo funziona ancora perfettamente nella realtà e ha il compito di misurare l’innalzamento del livello del mare. Wassner: "Per noi Sentinel era un buon oggetto visivo soprattutto perché i dati del modello 3D erano disponibili da questo satellite". Naturalmente, anche Sentinel-6 dovrà essere smaltito un giorno, in un lontano futuro, dice Wassner con un sorriso; ma al momento, l’obiettivo principale è quello di sviluppare un sistema che possa essere applicato a vari pezzi di pallini. E ce ne sono molti: "Oggi esistono interi cataloghi di parti di fucili da caccia. Le agenzie spaziali tengono registri meticolosi per tenere traccia degli oggetti delicati".Il team di ricerca ha già incorporato completamente i dati di Sentinel 6 nella simulazione; così come le capacità della fotocamera, le ipotesi sui meccanismi di controllo del satellite hunter o l’aspetto della Terra dalla prospettiva del satellite.
L’impressione visiva di questo mondo virtuale è sorprendente: con pochi clic del mouse, Jürgen Wassner dimostra come il satellite hunter si avvicini sempre di più a Sentinel-6. Sullo sfondo, la Terra si muove nell’immagine come una piccola sfera blu-bianco-marrone. È come se si guardasse attraverso l’occhio della telecamera.
Formazione per l’intelligenza artificiale
"Fino alla fine di maggio, ora testeremo intensamente la simulazione e ci sottoporremo a scenari realistici per addestrare e migliorare ulteriormente gli algoritmi", spiega Wassner. Alcuni esempi: Sentinel-6 ruota intorno al proprio asse. Come può il satellite cacciatore attraccare in modo sicuro senza entrare in collisione? Qual è il consumo energetico del minicomputer a diverse velocità di trasmissione della telecamera? In che modo le temperature nello spazio influiscono sulle sue prestazioni? Inoltre, il satellite hunter deve sempre allineare i suoi pannelli solari in modo ottimale con il sole per garantire l’alimentazione del sistema. Funziona? E cosa succede se un pannello si guasta?Cooperazione con l’Università di Tokyo
Nel febbraio 2023, Wassner e Zahn si recheranno a Tokyo per discutere la prossima fase di questo progetto di ricerca con Shinichi Kimura della Tokyo University of Science. "Shinichi Kimura dispone di eccellenti laboratori dove è possibile ricreare le condizioni dello spazio", spiega Jürgen Wassner. "Insieme a lui, vorremmo costruire e testare un prototipo di telecamera e processore".Volare in alto grazie a una grande esperienza
Per Zahn e Wassner si tratta del primo progetto di ricerca che li porterà nella vastità dello spazio. Per questo incarico devono ringraziare Matteo Madi, membro del consiglio di amministrazione della società Sirin Orbital Systems AG di Zurigo. Sirin Orbital Systems AG è attiva nei settori della tecnologia spaziale e dei sistemi e ha già realizzato diversi progetti per l’ESA. Klaus Zahn: "Matteo Madi ci ha chiesto se fossimo interessati a lavorare a questo entusiasmante progetto. Siamo stati felici di accettare questa sfida".I due ricercatori possono attingere alla loro pluriennale esperienza nel campo dei sensori e delle reti intelligenti. Per esempio, hanno sviluppato sistemi automatizzati per il conteggio e la classificazione dei veicoli nel traffico scorrevole; controlli intelligenti per i lampioni che si accendono solo quando passa qualcuno; o una tecnologia per la trasmissione affidabile dei dati attraverso le reti di distribuzione elettrica degli aerei. Ora stanno andando ancora più in alto, concentrandosi su un campo di lavoro a quasi 800 chilometri di altezza.
