MEMS nello spazio

L'industria satellitare ha potuto vivere la sua più grande rivoluzione da quando è entrata a far parte del commercio, grazie ad alcune delle macchine più piccole esistenti. I ricercatori stanno eseguendo esperimenti progettati per convincere l'industria aerospaziale che i sistemi microelettromeccanici (MEMS) potrebbero aprire la porta alla produzione di massa di satelliti a basso costo e ad alta affidabilità.

I MEMS combinano l'elettronica convenzionale dei semiconduttori con travi, ingranaggi, leve, interruttori, accelerometri, diaframmi, propulsori microfluidici e termoregolatori, tutti di dimensioni microscopiche [vedi "Una rapida occhiata ai MEMS"]. "Possiamo fare una serie di cose completamente nuove con i MEMS che non possono essere fatte in nessun altro modo", ha affermato Henry Helvajian, uno scienziato senior presso Aerospace Corp., un'organizzazione no-profit di ricerca e sviluppo aerospaziale con sede a El Segundo, in California.

Tutti i satelliti richiedono un insieme base di sottosistemi per svolgere un lavoro utile in orbita [vedi figura]. Una fonte di alimentazione è una, in genere un array di celle solari supportato da batterie. Sono inoltre necessari un sistema di comunicazione per ricevere comandi e restituire informazioni, sensori interni per valutare lo stato del satellite e un'unità di controllo per coordinare tutte le attività del sottosistema. I satelliti con missioni più complesse richiederanno anche sistemi per determinare l'orientamento e la posizione del veicolo spaziale e sistemi di propulsione per controllarli entrambi.

Se tutte le funzioni di questi sottosistemi potessero essere eseguite dai MEMS, allora "si potrebbe iniziare a pensare di fabbricare sottosistemi satellitari come facciamo i chip CMOS per i laptop", ha affermato Helvajian. I satelliti potrebbero essere costruiti impilando wafer ricoperti di MEMS e componenti elettrici. Il risultato sarebbe un "satellite di classe 1 kg, o picosat, che potrebbe essere prodotto in serie... si potrebbe mettere una costellazione di centinaia di questi piccoli esseri in orbita terrestre bassa [LEO] e ottenere, diciamo, incredibili informazioni meteo", ha continuato.

Lo stesso è stato detto da Thomas George, che supervisiona il MEMS Technology Group, parte del Jet Propulsion Laboratory (JPL), a Pasadena, in California. Tali satelliti, avendo requisiti di massa, dimensioni e consumo energetico trascurabili, possono essere facilmente trasportati sulle spalle di satelliti convenzionali. satelliti o lanciati utilizzando veicoli di lancio più piccoli ed economici, ha detto a IEEE Spectrum.

Alcuni dei vantaggi derivanti dall'utilizzo dei satelliti basati su MEMS sono stati spiegati da Ernest Robinson, un illustre ingegnere dell'Aerospace. I bassi costi di lancio e l'elevata resistenza alle radiazioni e alle vibrazioni erano in testa alla lista. Mettere un oggetto in LEO costa circa 10.000 dollari al kg. Chiaramente, il lancio di satelliti più piccoli e leggeri costerà meno. I satelliti basati su MEMS promettono inoltre di essere più economici da sviluppare e fabbricare rispetto ai veicoli spaziali convenzionali.

Anche la robustezza è fondamentale. "Non puoi sconvolgere un interruttore MEMS con un singolo impatto di un raggio cosmico, ma puoi sconvolgere un interruttore a semiconduttore così facendo", ha spiegato Robinson. Ciò significa che i MEMS sono molto più resistenti ai danni da radiazioni e quindi sarebbero “in grado di operare comodamente in un ambiente ad altissima radiazione come le cinture di Van Allen”. Le cinture di Van Allen occupano una regione di spazio tra LEO e l'affollata orbita geosincrona. Potenzialmente un prezioso patrimonio immobiliare orbitale, è rimasto relativamente inutilizzato a causa delle difficoltà pratiche ed economiche legate alla schermatura dei satelliti convenzionali da alte dosi di radiazioni.

Poi c'è la resistenza dei MEMS agli alti livelli di vibrazione e allo shock, ad esempio, del lancio di un razzo. George ha fatto riferimento a una dimostrazione della Honeywell Corp., di Morristown, NJ, di una serie di immagini di bolometri basati su MEMS (i bolometri vengono utilizzati per rilevare la radiazione infrarossa e a microonde). L'array è stato testato sulla superficie terrestre sparando da un obice. Sebbene sottoposti ad accelerazioni stimate pari a 20.000 volte l'accelerazione gravitazionale, i bolometri successivamente funzionarono perfettamente.

Il motivo per cui i dispositivi MEMS resistono a questo tipo di forze molto meglio rispetto ai dispositivi di dimensioni convenzionali è chiaro: la massa di ciascun componente in movimento è estremamente piccola, quindi anche le forze interne potenzialmente dannose tra i componenti sono molto piccole.