La Scienza di Samantha: Wireless Compose-2
Il principale obiettivo scientifico dell’esperimento Wireless Communication Network (Wireless Compose-2) è fornire un’infrastruttura flessibile e adattabile basata su una rete wireless, al fine di eseguire esperimenti di basso peso e dalle ridotte esigenze energetiche sulla Stazione Spaziale Internazionale.
Per questa dimostrazione, Wireless Compose-2 gestisce diversi esperimenti, incluso uno per esaminare l’impatto dell’ambiente spaziale sul sistema cardiovascolare. Inoltre Wireless Compose-2 serve anche a dimostrare la capacità del nuovo dispositivo radio a banda ultra larga (IR-UWB) di fornire delle applicazioni per la localizzazione di precisione.
Il team
L’esperimento è gestito dall’agenzia spaziale tedesca DLR con il supporto di DSI Aerospace Technology GmbH di Brema, dello Smart Sensors Group dell’University of Technology di Amburgo, e dell’Hohnestein Laboratories GmbH & Co KG di Bönnigheim. Il finanziamento è stato erogato dall’Agenzia Spaziale Europea.
Le operazioni sono preparate ed eseguite dall’European Astronaut Centre Crew Operations Support (ECOS) presso il Centro astronauti europeo di Colonia.
Applicazioni
In ambito spaziale l’ISS è sicuramente il posto ideale per testare le capacità di una Wireless Sensor Network (WSN) per le future attività sull’ISS stessa e per quelle seguenti la sua dismissione. I risultati di questo esperimento sono utili per analizzare il potenziale impiego di questa tecnologia per i viaggi spaziali del futuro sia robotici sia con equipaggio, e per comprendere gli ostacoli e le limitazioni per le operazioni in ambienti molto specifici comparabili ai moduli della Stazione spaziale. Questa indagine permette inoltre lo sviluppo di nuove tecnologie intelligenti per il monitoraggio dei parametri vitali critici degli astronauti e fornisce un sistema innovativo per il controllo di oggetti in volo libero in un ambiente chiuso in microgravità con una risoluzione di meno di 10 cm. I dati raccolti dall’esperimento BEAT (Ballistocardiography for Extraterrestrial Applications and long-Term missions) sulla balistocardiografia, sono di fondamentale interesse per l’ulteriore rilevamento scientifico dei sistemi di monitoraggio della salute nello spazio. Il balistocardiografo misura le forze generate dal cuore sul resto del corpo, come per esempio il movimento verso il basso del sangue attraverso l’aorta discendente che produce un rinculo verso l’alto spostando impercettibilmente il corpo in questa direzione ad ogni battito cardiaco. La balistocardiografia è una rappresentazione grafica dei movimenti ripetitivi del corpo umano in risposta al passaggio ripetuto di sangue nei grandi vasi sanguigni a seguito dell’attività cardiaca. È stato dimostrato che alcune delle principali disfunzioni cardiache possono essere rilevate analizzando i segnali BCG. Inutile forse sottolineare come l’ambiente in microgravità della Stazione renda più evidenti queste forze generate dall’azione del cuore.
Sulla Terra i risultati dell’esperimento BEAT raccolti sulla Stazione in condizioni di microgravità offrono una perfetta e variegata base per le misure della balistocardiografia in applicazioni terrestri. Ciò può portare a un’implementazione più flessibile di questa tecnologia negli equipaggiamenti per il monitoraggio della salute. La rete wireless di sensori serve come banco di prova per un’affidabile implementazione del protocollo, che potrebbe essere impiegata in applicazioni critiche per il controllo di alcuni processi industriali. Inoltre, le capacità di tracciamento di precisione date dalla banda ultra larga (UWB), possono risultare utili per i sistemi di rilevamento della posizione.
Panoramica
Come già detto, l’indagine Wireless Communication Network (Wireless Compose-2) serve a dimostrare l’operatività di una rete wireless per il monitoraggio di sensori, o più in generale per la trasmissione dei dati basata sugli impulsi radio in banda ultra larga (IR-UWB), inoltre registra la qualità del segnale trasmesso dalla rete stessa. In aggiunta, l’operatività di Wireless Compose-2 include:
- le operazioni dell’esperimento Ballistocardiography for Extraterrestrial Applications and long-Term missions (BEAT) per il monitoraggio e l’acquisizione dei dati balistocardiografici di un membro dell’equipaggio della Stazione al fine di effettuare osservazioni sulla variazione dei segnali nel corso di una missione spaziale a lunga durata, di condurre la mappatura dei segnali BCG in relazione alle condizioni cardiache dei membri dell’equipaggio e di procedere con uno studio di fattibilità sull’impiego della balistocardiografia come metodo per il monitoraggio della salute per le missioni a lunga durata;
- l’utilizzabilità di SmartTex, una maglietta “smart” (Smart Shirt) dotata di sensori integrati al fine di dimostrare l’utilità in condizioni di microgravità di una rete di sensori integrati nel tessuto di indumenti indossati dagli astronauti;
- dimostrare le capacità di portata del sistema IR-UWB per raggiungere una precisione inferiore ai 10 cm;
- indagare sui parametri delle fonti luminose per migliorare la capacità di generare energia.
L’esperimento è stato lanciato con la Dragon CRS-2 SpX-24 il 21 dicembre 2021, nell’ambito della missione Cosmic Kiss dell’astronauta europeo Matthias Maurer, il quale ha installato i sensori wireless nello stesso dicembre e ha eseguito una sessione di balistocardiografia il 29 aprile 2022.
La t-shirt SmartTex-2 di Samantha Cristoforetti è stata invece lanciata con la capsula Dragon Crew-4 che ha portato la stessa Samantha sulla ISS. Samantha ha poi eseguito undici sessioni di balistocardiografia, adeguatamente distribuite durante la missione Minerva, a partire dal 12 maggio 2022 e fino al 10 ottobre 2022.
Descrizione
La tecnologia di Wireless Compose-2 è basata su quella dell’esperimento Wireless Compose svolto nel 2018. Wireless Compose-2 dimostra le capacità delle reti wireless per esperimenti scientifici, medici e per la localizzazione sulla Stazione Spaziale Internazionale.
Il focus di questa sessione di ricerca è l’esperimento Ballistocardiography for Extraterrestrial Applications and long-Term missions (BEAT), una dimostrazione di una nuova serie di sensori balistocardiografici (BCG) per il monitoraggio di importanti parametri cardiovascolari in un ambiente in microgravità. Esso permette l’accesso a una serie di rilevanti parametri cardiaci come la pressione sanguigna, e fornisce inoltre dettagli sul rateo di contrazione e sui tempi di apertura e chiusura delle valvole cardiache e sulle eventuali variazioni. Queste informazioni sono ottenibili solamente con l’ecografia o con la tomografia computerizzata. Perciò BEAT permette uno sguardo approfondito sulla performance del sistema cardiovascolare nello spazio, e sui suoi cambiamenti durante una missione spaziale a lungo termine.
I sensori sono implementati nell’indumento SmartTex con i relativi cablaggi e il modulo di trasmissione per la comunicazione dei dati scientifici in modalità wireless alla Stazione. La Smart Shirt risulta essere un confortevole capo di vestiario integrato, con una vestibilità su misura, di facile uso per la sua sensoristica corporea e non interferisce con il lavoro quotidiano dell’astronauta. Le sue future applicazioni possono essere effettuate sia nello spazio (orbita terrestre, lunare, cis-lunare) sia sulla Terra.
L’hardware consiste di 5 moduli del peso complessivo di solamente 1 kg. Ciascun modulo è delle dimensioni approssimative di uno smartphone.
Wireless Compose-2 analizza inoltre le capacità di raccogliere energia all’interno del modulo laboratorio europeo Columbus. Nel 2018 la Wireless Compose non riuscì nell’intento, a causa della bassa intensità dell’illuminazione e di altri problemi tecnici; Wireless Compose-2 fornisce più sensori e circuiti per l’analisi della luce e delle fonti luminose. L’esperimento attualmente ottiene l’energia per il proprio funzionamento dalle proprie batterie; in futuro sarà tuttavia in grado di alimentarsi dalla luce presente sull’ISS tramite un processo denominato Energy Harvesting, che consiste nell’estrazione di piccoli quantitativi di energia elettrica da fonti come la luce e la temperatura ambientale, le vibrazioni e le correnti di aria.
Infine Wireless Compose-2 è un network aggiornabile e adattabile, e perciò fornisce un’infrastruttura per gli esperimenti scientifici e medici del futuro.
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