Il nuovo gruppo collettore rotante incontra il massimo

Il duro ambiente dello spazio richiede che gli ingegneri spaziali si procurino componenti e materiali specializzati per satelliti robusti e affidabili. Di questi numerosi componenti specializzati, uno di particolare interesse è il gruppo collettore rotante, che elimina i guasti di cablaggio in un satellite in rotazione.

Recentemente, i ricercatori dello Swiss Plasma Center (SPC) dell’Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) hanno annunciato un gruppo di anelli di contatto di nuova concezione in grado di resistere alle tensioni più elevate dei satelliti ad energia solare. In questo articolo discuteremo dei gruppi collettori rotanti, del loro ruolo nei satelliti e della nuova ricerca di SPC.

In molti dispositivi elettromeccanici, soprattutto quelli rotanti, una sfida significativa in termini di affidabilità è il cablaggio. Ad esempio, in un dispositivo con sensori fissi montati su una superficie rotante, è probabile che i cavi che forniscono alimentazione ai sensori e leggano I/O si attorciglino e infine si rompano in una configurazione normale. I gruppi collettore rotante sono componenti importanti per risolvere questo problema.

Un gruppo collettore rotante è un dispositivo elettromeccanico progettato specificamente per fornire energia e segnali da una struttura immobile a un dispositivo rotante. Un gruppo collettore standard è costituito da una serie di anelli metallici solidi attorno a un albero rotante. Mentre gli anelli girano, una serie di contatti a spazzola, collegati ai fili di ingresso del dispositivo fisso, mantengono una connessione costante con gli anelli, consentendo la conduzione di segnali elettrici. Ciascun anello viene quindi collegato ai fili di uscita anch'essi girevoli sull'albero.

Affinché i satelliti possano funzionare e comunicare correttamente con la terra, devono mantenere lo stesso orientamento rispetto alla terra. Poiché i satelliti sono in orbita, il loro orientamento cambierà naturalmente nel tempo. Per risolvere questo problema, la maggior parte dei satelliti ruota a intervalli regolari per mantenersi allineati.

I gruppi di collettori rotanti consentono al satellite di ruotare liberamente senza il rischio di guasto dei cavi interni. In un satellite, un anello collettore viene utilizzato principalmente per fornire energia tra il pannello solare di bordo del sistema e altri componenti come il computer di bordo, i sensori o i sistemi di propulsione.

I gruppi collettore rotante funzionano a tensioni relativamente basse; una volta che l'anello collettore raggiunge i 200 V, le possibilità che si formino archi elettrici aumentano in modo significativo. Ora, poiché i satelliti stanno diventando sempre più potenti e necessitano di tensioni più elevate, l’Agenzia spaziale europea ha lanciato il programma APRIOM (Advanced sliP Ring for high vOltage Mechanism) per sfidare gli ingegneri a trovare una migliore soluzione di collettori rotanti.

Questa settimana, i ricercatori dell'SPC, in collaborazione con Beyond Gravity e con il supporto dell'Agenzia spaziale europea, hanno progettato con successo un nuovo gruppo collettore rotante in grado di resistere alle tensioni più elevate necessarie per i satelliti. Si dice che il nuovo anello aumenterà la gamma di tensione dei collettori rotanti dei satelliti dal loro stato attuale di 28–100 V fino a 300–600 V. L'anello ha già funzionato entro 400–500 V e 8 A.

Oltre all'alta tensione, il gruppo collettore rotante di SPC ha mostrato prestazioni elevate anche a basse pressioni, con una potenza trasferita fino a 40 kW. SPC deve ancora rilasciare pubblicamente i dettagli sulle tecniche di progettazione specifiche utilizzate nella nuova tecnologia dei collettori rotanti.

Oltre a soddisfare la crescente necessità di una tensione più elevata nei satelliti, il lavoro del team SPC su questo gruppo collettore rotante mira a superare il rischio di guasti elettrici nello spazio, un evento che potrebbe generare plasma che danneggerebbe gravemente il satellite.

I satelliti subiscono enormi cambiamenti di pressione dal lancio al vuoto profondo dello spazio, che influenzano integralmente i componenti elettrici che si basano sulle condizioni di vuoto. Sebbene le soluzioni precedenti si basassero su complesse configurazioni di circuiti elettrici per gestire questa pressione, questi circuiti possono interferire con il funzionamento del satellite. Il nuovo gruppo collettore rotante può funzionare da pressioni estremamente basse (10-5 mbar) a valori di pressione critici (~1 mbar), risolvendo questo problema.