La Scienza di Samantha: AstroPi

L’Astro Pi Challenge offre ai giovani studenti l’incredibile opportunità di condurre ricerche scientifiche nello spazio scrivendo programmi da far eseguire a dei computer Raspberry Pi a bordo della Stazione Spaziale Internazionale.

I primi due computer Raspberry Pi migliorati (chiamati AstroPi) sono stati inviati sulla stazione nel 2015, nell’ambito della missione Principia dell’astronauta dell’ESA Tim Peake, e sono poi rimasti disponibili negli anni successivi per ulteriori attività educative di ESA. Nel 2021, questi sono stati sostituiti con una nuova versione, i cosiddetti AstroPi Mark II, i quali sono arrivati a bordo della ISS a dicembre 2021 e dispongono di una migliore fotocamera, migliori sensori e un acceleratore per intelligenza artificiale.

Panoramica

I computer sono stati entrambi equipaggiati con il dispositivo Sense HAT (Hardware Attached on Top) che misura le caratteristiche dell’ambiente all’interno della stazione, rileva il suo movimento nello spazio e misura il campo magnetico terrestre. Ciascun computer è inoltre dotato di una differente fotocamera: una nell’infrarosso e l’altra nel visibile.

Come parte delle attività scientifiche degli astronauti ESA è stato sviluppato un programma con l’obiettivo di aumentare l’interesse degli studenti europei verso le materie scientifiche e ingegneristiche. Per raggiungere questo scopo è stata organizzata una competizione fra scuole con diverse sfide software/hardware nell’ambito delle esigenze dell’industria spaziale come: la sopravvivenza nell’ambiente spaziale, le tecniche di misurazione e calibrazione, la riconfigurabilità dell’hardware e l’elaborazione delle immagini. Al cuore di ciascuna di queste sfide è stato posto il computer AstroPi/Raspberry Pi con le sue periferiche, come piattaforma per l’esecuzione del software in orbita.

Le attività legate a questo progetto intendono incoraggiare e rafforzare l’insegnamento dell’informatica e con ciò stimolare la curiosità degli studenti motivandoli a proseguire nello studio delle materie STEM (Scienza, Tecnologia, Ingegneria e Matematica)

Il team

Il team scientifico è guidato dall’agenzia spaziale francese (CNES) e si avvale della collaborazione dell’ESTEC (European Space Research Centre) di Noordwijk, Olanda, e ovviamente della Raspberry Pi Foundation di Cambridge, Regno Unito. Il progetto è stato finanziato dall’Agenzia Spaziale Europea. Le operazioni vengono svolte dal BIOTESC User Support and Operations Centre di Lucerna.

Applicazioni

Al momento i risultati di questo progetto non trovano applicazioni immediate in campo spaziale. Al contrario, sulla Terra gli aspetti educativi di questo progetto sono fuori discussione. Parlare di applicazioni, relativamente ad Astro Pi, ha senso solo se si considera il mezzo informatico come strumento tecnologico dalla potenzialità illimitate e solo se si riesce a far comprendere questo concetto allo studente. In questo senso, gli studenti hanno utilizzato il “mezzo” computer padroneggiandone le potenzialità al fine di raggiungere i propri obiettivi. Il numero dei team partecipanti e la varietà dei progetti proposti, con decine di migliaia di studenti che partecipano ogni anno, soddisfano in pieno uno dei mandati dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA), ovvero quello di promuovere le discipline scientifiche ai giovani studenti europei, e fanno di AstroPi uno dei progetti educativi legati allo spazio con più successo nel mondo. L’Agenzia è conscia del fatto che il proprio impegno formativo possa giocare un ruolo significativo nel contribuire a sviluppare una società scientificamente edotta e consapevole, e di ricavarne sia una responsabilità sia un interesse acquisito.

Operatività

Per permettere ai due computer di eseguire i programmi inviati dai team partecipanti, essi vengono collocati dagli astronauti in zone della Stazione attinenti alle necessità del codice da eseguire. I contenitori che proteggono le due unità sono dotati di sistemi che permettono loro di essere montati e posizionati usando dei bracci mobili multiuso. Le due unità vengo alimentate in due modi: tramite un adattatore Griffin collegato al sistema elettrico della Stazione oppure con una porta USB collegata a un PC portatile dell’equipaggio.

Le unità operano in modalità “headless”, ovvero senza essere connesse a tastiere, monitor o mouse. Esse sono configurate per avviarsi da sole e iniziare a lavorare autonomamente senza l’interazione dell’equipaggio. Inoltre possono essere comandate da remoto con un altro computer, mediante una rete LAN e un browser (inizialmente con un cavo Ethernet, e negli anni successivi con il WiFi).

Sul finire della missione Principia, l’AstroPi Vis (il dispositivo equipaggiato con la fotocamera nel visibile) è stato collegato con il network della Joint Station LAN (JSL) tramite un cavo Ethernet in modo da poter essere gestito da terra dal BIOTESC durante la permanenza in Columbus. Negli anni successivi, anche l’AstroPi IR (il dispositivo con la fotocamera a infrarossi) è stato collegato tramite un cavo Ethernet. Infine, per entrambe le unità, è stata aggiunta la connessione wireless, che permette l’operabilità da Terra dei due AstroPi via WiFi, quando sono fuori da Columbus.

In base ai programmi inviati, le elaborazioni dei due AstroPi producono dei file, tramite delle sessioni interattive, oppure dei sistemi autonomi di raccolta dati, i quali devono essere inviati a terra per le analisi. In questi casi, i file vengono trasferiti al centro BIOTESC di Lucerna, Svizzera, tramite la connessione LAN JSL della Stazione.

Nonostante la piena operabilità da parte dei team di terra, l’intervento degli astronauti si rende necessario ogni qualvolta gli AstroPi debbano essere spostati. Per esempio, durante alcune attività, i due AstroPi hanno a turno avuto bisogno di essere spostati fuori da Columbus e installati in una finestra del Nodo 2, per poter visualizzare la Terra con le loro fotocamere. In più, l’intervento degli astronauti è necessario anche quando si devono sosituire le lenti fotografiche sugli AstroPi Mark II o si devono cambiare le loro impostazioni ottiche.

Samantha ha fatto parte di queste attività durante la missione Minerva, tra la fine di maggio e l’inizio di giugno 2022 e poi di nuovo ad agosto 2022.

Il concorso e i risultati

Il concorso, negli anni, si è svolto in diverse sessioni con diverse modalità di partecipazione, Mission Zero, per principianti, e Mission Space Lab, per i più esperti. In questo articolo ci soffermeremo brevemente sulla sessione che ha visto la partecipazione della nostra Samantha Cristoforetti: Astro Pi Mission Space Lab 2021/22.

Le due unità impiegate per questa sessione, dedicate a Nikola Tesla e a Marie Curie, sono state migliorate con l’aggiunta di fotocamere ad alta qualità e di una serie di sensori. Sono state lanciate il 21 dicembre 2021 con un Falcon 9 a bordo della missione Dragon CRS-2 SpX-24 di SpaceX. I due Astro Pi hanno sostituito i due computer originali, presenti sull’ISS da 6 anni, ovvero dalla prima sfida del 2015.

Nel concorso Mission Space Lab, delle squadre di giovani studenti (19 anni di età massima) hanno dovuto lavorare in team per creare degli esperimenti scientifici da eseguire a bordo della Stazione tramite i due Raspberry Pi, le loro fotocamere e la loro suite di sensori.

Per la sessione 21/22 del concorso, ben 799 team hanno candidato i propri esperimenti a Mission Space Lab e 502 di essi sono stati invitati alla Fase 2. Questi team hanno così ricevuto un kit di Astro Pi in modo da poter scrivere e testare i propri codici e 299 progetti hanno superato i rigorosi test dell’Astro Pi Mission Control, acquisendo così il “Flight Status”. Un totale di 28.126 giovani, provenienti da 26 nazioni hanno lavorato per questo concorso e complessivamente sono stati eseguiti 17.168 programmi.

Dopo che ciascun programma ha raccolto i propri dati sulla ISS, in un tempo previsto per il test di tre ore, i team hanno analizzato i risultati e hanno scritto un breve rapporto per descrivere il proprio esperimento.

Complessivamente sono stati dichiarati 10 team vincitori, mentre 6 hanno ricevuto una menzione particolare da un gruppo di 17 giudici dell’ESA e della Raspberry Pi Foundation.

Fra i primi dieci team classificati, possiamo annoverare due squadre italiane: GreenPi e RedsTeam.

In generale gli esperimenti proposti dai partecipanti hanno riguardato l’ambito dei problemi ambientali, i cambiamenti climatici, i cambiamenti dei livelli del mare, gli incendi, i vulcani e il riscaldamento globale.

Infine, è già in corso la campagna Astro Pi Challenge 2022/23.

Fonti: NASA; ESA; Raspberry Pi Foundation