La contaminazione, nel contesto dell'ingegneria aerospaziale, può essere semplicemente definita come qualsiasi materia estranea depositata su una superficie. In generale, è ampiamente classificata in due categorie principali, ovvero la contaminazione molecolare e quella particellare. La contaminazione molecolare può manifestarsi in orbita come l'accumulo di molecole organiche discrete o di acqua, che risultano in depositi o film organici o di ghiaccio localizzati durante la missione, o può essere causata da depositi indesiderati o accumuli durante le operazioni a terra, come film risultanti da oli, grassi, residui chimici, impronte digitali, applicazioni di calore e vuoto. La contaminazione particellare si riferisce alla deposizione di unità di materia con lunghezza, larghezza e spessore osservabili, principalmente su una scala sub-visibile e visibile (di dimensioni nell'ordine dei micrometri). Le particelle si depositano principalmente durante le operazioni a terra e durante la fase di lancio, dalla partenza alla separazione del veicolo spaziale. Il controllo efficace della contaminazione è essenziale per il successo della maggior parte delle missioni aerospaziali, specialmente quelle scientifiche ed esplorative, perché la presenza di contaminazione, anche in quantità molto ridotte, può compromettere pesantemente le prestazioni dell'hardware del veicolo spaziale. Ad esempio, la presenza di contaminazione sulle superfici di controllo termico può alterare i rapporti di assorbenza/emissività, influenzando l'equilibrio termico, mentre la contaminazione sulle matrici solari potrebbe ridurre significativamente la produzione di energia. La contaminazione degli strumenti ottici, come specchi o sensori, può ridurre il passaggio del segnale e disperderlo oltre il design di diffrazione, diminuendo ulteriormente le prestazioni, con gravi impatti sugli obiettivi della missione. Inoltre, nel caso delle missioni di esplorazione delle scienze della vita, i contaminanti portati dalla Terra verso il bersaglio esplorato potrebbero generare risultati falsi positivi con impatti catastrofici sugli obiettivi scientifici. Infine, con riferimento alle missioni di esplorazione della Luna, la contaminazione da polvere lunare sta diventando un fattore determinante per la progettazione dei veicoli spaziali. Anche le missioni con equipaggio umano sono influenzate dalla pulizia e dal controllo della contaminazione. Infatti, la salute degli astronauti e l'hardware interno dei moduli abitativi potrebbero essere influenzati dalla presenza di contaminanti nell'aria del modulo o sulle superfici dell'hardware. In questo contesto, il ruolo dell'ingegneria della contaminazione come sottodisciplina dell'ingegneria dei sistemi, trasversale a tutto il ciclo di vita del progetto, è estremamente importante per la progettazione del veicolo spaziale, così come per la gestione delle fasi a terra e delle scelte relative alla missione. Per queste ragioni, questo corso fornirà agli ingegneri di sistemi del veicolo spaziale e ai fornitori di carichi utili uno strumento per quantificare i requisiti di pulizia e di contaminazione al fine di garantire il soddisfacimento dei requisiti hardware e della missione, e in secondo luogo, fornirà tutti i dettagli su come un ingegnere di sistemi del veicolo spaziale deve procedere per guidare la progettazione del veicolo spaziale al fine di garantire il successo della missione in termini di pulizia e controllo della contaminazione. In questo modo, l'ingegneria della pulizia e del controllo della contaminazione verrà utilizzata come caso di studio per insegnare ai candidati come muoversi nel complesso mondo dei driver di progettazione industriali e delle principali agenzie per missioni scientifiche ed esplorative, al fine di fornire strumenti efficaci da utilizzare, in generale, nel più ampio contesto dell'ingegneria dei sistemi. Dal punto di vista operativo, il corso fornirà una panoramica completa dello sviluppo dell'ingegneria della contaminazione durante l'intero ciclo di vita del progetto, partendo dalla definizione dei requisiti basati sulla missione e sugli obiettivi del sistema, fino al calcolo dei livelli massimi di contaminazione ammissibili derivati dalle perdite di prestazioni degli elementi sensibili, inclusi i requisiti della scienza di rilevamento della vita. A partire da quel punto, la comprensione dei principali aspetti di progettazione influenzati dalla contaminazione porterà all'introduzione della definizione, pianificazione ed esecuzione del controllo della contaminazione, alla stima del budget di contaminazione e alla modellizzazione in orbita. Saranno poi esaminati i test dei materiali e i trattamenti per miglioramenti, la definizione delle fasi critiche e gli sviluppi avanzati per l'ingegneria della contaminazione. In questo contesto, verrà studiata la standardizzazione più importante (ECSS, ASTM, ISO).

Conoscenze di base dell'ingegneria, della chimica e della fisica.

1. Introduzione del corso: • Inquadramento tecnico-scientifico della problematica: Introduzione al contamination engineering; Definizioni e nomenclatura; Definizione del problema e missioni di riferimento; Contestualizzazione del problema all’interno del processo di progettazione di uno spacecraft e del suo intero ciclo di vita; Standard di riferimento. 2. Assessment di requisiti, il processo di verifica, la pianificazione e l’implementazione: • Definizione di specifiche, definizione di requisiti nei progetti scientifici con riferimento ai sistemi ESA e NASA. • Processo di verifica dei requisiti. • La pianificazione e l’implementazione. • Richiami sul ciclo di vita di uno spacecraft. 3. Definizione e quantificazione dei requisiti di contaminazione molecolare • Effetti dei film molecolari sulle superfici sensibili: Effetti su superfici riflettenti o radiative; Effetti su superfici trasmissive. • Quantificazione della contaminazione molecolare. • Generazione, trasporto e deposizione della contaminazione particellare. • Test di outgassing standard, dinamici e bake-out. • Modellizzazione della fase di orbita. • Ridistribuzione della contaminazione particellare durante le fasi di lancio. • Stima dei massimi livelli ammissibili di contaminazione particellare rispetto alla perdita di performance: Celle solari, superfici per il controllo termico, superfici ottiche e sensori • Linee guida per il design rispetto al controllo della contaminazione particellare. 4. Definizione e quantificazione dei requisiti di contaminazione molecolare: • Effetti del particolato sulle superfici sensibili: Oscuramento delle superfici riflettenti; Oscuramento delle superfici trasmissive. • Quantificazione della contaminazione particellare. • Generazione, trasporto e deposizione della contaminazione molecolare. • Effetti sinergici e fotopolimerizzazione. • Stima dei massimi livelli ammissibili di contaminazione molecolare rispetto alla perdita di performance: Celle solari, superfici per il controllo termico, superfici ottiche e sensori. • Linee guida per il design rispetto al controllo della contaminazione particellare. 5. Controllo della contaminazione: • Definizione di controllo della contaminazione. • Introduzione ai principali documenti e processi richiesti da ESA e NASA. • Prevenire la contaminazione: Approccio al design ed esempi di soluzioni ingegneristiche. • Monitorare la contaminazione durante la vita di uno spacecraft. • Tecniche di cleaning in campo aerospaziale e livelli di criticità connessa. • Mantenimento dei livelli di cleanliness richiesti. • Launch processing. • Controllo della contaminazione in orbita. 6. Missioni di esplorazione, life science missions, lunar dust e missioni umane: • Introduzione alle missioni di esplorazione, life science ed il controllo della contaminazione: Le missioni Marziane, ExoMars, Mars 2020; Missioni lunari; Lunar dust. • Introduzione alle missioni umane: Implicazioni connesse al controllo della contaminazione.

In presenza

Presentazione orale

P.D.2-2 - Marzo