Nasi reprezentanci z M.A.C.K.I. Project właśnie rozpoczęli dwutygodniową kampanię w ośrodku francuskiej firmy Novespace. We współpracy z Europejską Agencją Kosmiczną przeprowadzą eksperymenty sprawdzające skuteczność zaprojektowanej przez nich  platformy testowej do walidacji silikonowego chwytaka w warunkach mikrograwitacji. Przed nimi wyjątkowe loty, w czasie których samolot wykona w sumie 93 parabole, na zmianę unosząc się i opadając przy dużej prędkości.

Studenci PWr są już na miejscu, w Bordeaux, gdzie właśnie zaczęli pierwszy – z dwóch tygodni – swojej wyjątkowej kampanii. Razem z nimi są zespoły z Francji, Belgii, Włoch, Wielkiej Brytanii i międzynarodowe: austriacko-słoweńsko-niemiecki i islandzko-brytyjski.

Wszystkie zostały wcześniej wybrane do udziału w programie ESA Academy Experiments przez Europejską Agencję Kosmiczną – na postawie szczegółowej dokumentacji ich propozycji eksperymentów naukowych i po prezentacjach wygłoszonych przed przedstawicielami agencji i firmy Novespace (to spółka należąca do Francuskiej Narodowej Agencji Kosmicznej).

W pierwszym tygodniu kampanii zespoły zajmują się ostatnimi pracami przygotowującymi ich platformy z eksperymentami do umieszczenia na pokładzie samolotu. Same loty zaplanowano na kolejny tydzień listopada.

Czemu loty paraboliczne?

Jednym ze sposobów na osiągnięcie stanu nieważkości na powierzchni Ziemi – a zatem podobnego do warunków panujących wysoko w przestrzeni kosmicznej – są loty paraboliczne.

W czasie takiego kursu samolot wznosi się, a następnie na konkretnej wysokości zmienia trajektorię lotu – tak, że przypomina ona parabolę – czyli zamiast lecieć poziomo, na zmianę unosi się i opada przy dużej prędkości. To sprawia, że na jego pokładzie odczuwa się na przemian silne przeciążenia i stan nieważkości.

Każda parabola daje 22 sekundy mikrograwitacji, a w czasie całego lotu można osiągnąć nawet 12 minut takiego stanu. To daje warunki do prowadzenia eksperymentów naukowych i testowania kosmicznych technologii przed wystrzeleniem sprzętu poza Ziemię.

Możliwości wykonania takich eksperymentów stwarza także studentom Europejska Agencja Kosmiczna w ramach swojego programu, do którego w tym roku zakwalifikował się zespół z Politechniki Wrocławskiej – M.A.C.K.I. Project.

Czy macki sprawdzą się w kosmosie?

Eksperyment we Francji przeprowadzi ośmioro studentów i studentek PWr, na co dzień działających w kole naukowym PWr in Space. Nazwa ich projektu to skrót od Microgravity Actuated Capturing Kinetic Instrument.

Nasi reprezentanci zaproponowali przetestowanie działania silikonowych „macek”. To odpowiednio zaprojektowane i wykonane rurki z filamentu, które pod wpływem wprowadzanego do nich powietrza pod konkretnym ciśnieniem, zaplątują się i są w stanie złapać przedmiot i podnieść go czy przesunąć. Oczywiście na Ziemi.

Kilkanaście lub kilkadziesiąt takich „macek” razem może stworzyć chwytak, który – jako bardzo lekki – mógłby w przyszłości służyć jako technologia wykorzystywana w kosmosie. Np. do zbierania dryfujących w przestrzeni kosmicznej śmieci czy transportowania satelitów.

Ale do tego konieczne jest potwierdzenie, czy w ogóle będą skuteczne w warunkach kosmicznych. I takim pierwszym krokiem na tej drodze mają być badania naszych studentów.

Jak będzie wyglądał eksperyment?

Wrocławski chwytak z „macek” zostanie zainstalowany na pokładzie Airbusa A310 AirZeroG we wnętrzu specjalnej platformy eksperymentalnej zaprojektowanej i zbudowanej od podstaw przez nasz zespół.

– Składa się ze stelaża na eksperyment (z ang. Experiment Rack), ważącego 72 kg, oraz mniejszej platformy kontrolnej (ang. Control Base Plate) – opowiada Wiktoria Mrowiec z M.A.C.K.I. Project.

Do obsługi chwytaka studenci stworzyli układ pneumatyczny, generujący ciśnienie przy użyciu małego kompresora o maksymalnym ciśnieniu 4 barów, które jest obniżane przez reduktor, co pozwoli na prowadzenie operacji chwytania.

– Aby umożliwić ruch chwytaka w osi Z, czyli osi niezbędnej do operacji chwytu, zaprojektowaliśmy system oparty na dwóch silnikach krokowych, szynach liniowych i wózkach szynowych z hamulcami – opisuje Wiktoria.

Jak podkreśla zespół, w czasie eksperymentu platforma zbierze wszystkie pomiary potrzebne do analizy procedury chwytania.

– Planujemy nagrywać cztery strumienie wideo: trzy z kamer zamontowanych wokół chwytaka (w jego układzie współrzędnych, a więc poruszających się wraz z chwytakiem) oraz jeden z kamery nieruchomej, umieszczonej u podstawy obiektu testowego, czyli tego, który będzie chwytany – tłumaczy studentka.

Zespół zmierzy siłę działającą w kierunku ruchu chwytaka, dzięki tensometrowi przymocowanemu do obiektu testowego. A dane dotyczące punktów dotyku chwytaka na obiekcie testowym będą zbierać czujniki dotykowe zamocowane na drugim obiekcie testowym.

– Dodatkowo zamierzamy mierzyć przyspieszenie całego stelaża eksperymentalnego, żeby określić, czy chwytanie odbywa się w warunkach mikrograwitacji czy hipergrawitacji – opowiada Wiktoria –Wszystkie dane zostaną opatrzone znacznikami czasu przez główny komputer, który koordynuje przebieg testów, a ich analizą zajmiemy się po zakończeniu wszystkich lotów.

Do sterowania pracą chwytaka, systemem ruchu i procesem pomiarowym studenci zaprojektowali elektronikę i aplikację kontrolną, która będzie obsługiwana z platformy kontrolnej. Na niej umieszczą też dodatkowe filamenty („macki”) do chwytaka, które mogą okazać się przydatne między poszczególnymi parabolami podczas lotu.

Pomiary z czujników i metoda wizualna

– Zamierzamy określić, czy technologia aktywnego chwytaka wykorzystującego zaplątanie jest wykonalna w warunkach mikrograwitacji. Dlatego porównamy skuteczność chwytania w mikrograwitacji z wynikami uzyskanymi w równoważnych warunkach przy normalnej grawitacji – wyjaśnia studentka. – Przetestujemy też metody wizualne do określania liczby punktów kontaktu i skrzyżowań, co pozwoli nam na dodatkową ocenę skuteczności chwytaka. Obliczymy ją statystycznie jako stosunek liczby skutecznych chwytów do liczby wszystkich prób wykonanych w każdych warunkach.

Jak tłumaczą studenci, często sukces chwytu nie jest jednoznaczną wielkością i dlatego jest oceniany także wizualnie. Żeby uzyskać wiarygodne dane, będą więc określać ją również poprzez pomiar siły za pomocą tensometru, który mierzy siłę w kierunku ruchu chwytaka. Jeśli zmierzona siła nie przekroczy określonego progu, chwyt zostanie uznany za nieudany, co będzie oznaczało, że większość filamentów („macek”) utraciła kontakt z obiektem.

Studenci opracowali też alternatywną metodę wizualną określającą sukces chwytu, której wyniki skorelują z wynikami z tensometru.

– Zakładając, że siła mierzona tensometrem koreluje z liczbą punktów kontaktu, co zweryfikujemy w warunkach normalnej grawitacji, opracujemy algorytm do zliczania liczby punktów kontaktu na podstawie obrazu z kamer poruszających się wraz z chwytakiem – tłumaczy Wiktoria. – Do eksperymentalnego zliczania liczby punktów kontaktu skonstruujemy specjalny obiekt testowy w kształcie kuli, który wyposażymy w matrycę czujników ciśnienia dotyku rozmieszczonych na jego powierzchni. 

Swój eksperyment studenci będą prowadzić w czasie trzech lotów. W pierwszym zamierzają ustalić podstawową procedurę chwytania, która stanie się punktem odniesienia dla dalszych testów. Podczas drugiego zbadają tolerancję swojego rozwiązania na drobne zakłócenia i „niską precyzję” warunków (czyli brak precyzji w ustawieniu układu chwytającego względem chwytanego obiektu). W trzecim locie natomiast skupią się na badaniu zdolności swojego chwytaka do obsługi złożonych i delikatnych obiektów – a konkretnie sztucznej rośliny.

W czasie każdego lotu obok eksperymentu z PWr będzie trwał także drugi. Przeprowadzą go doktoranci z austriacko-słoweńsko-niemieckiego zespołu NeurO2flight (badający wpływ mikrograwitacji i niedotlenienia na funkcje poznawcze i mózgowy przepływ krwi podczas lotów parabolicznych).

Sławosz Uznański, polski astronauta weźmie udział w kampanii!

Jak podkreślają studenci, w ostatnich miesiącach ciężko pracowali, nie tylko poznając bardzo szczegółowe procedury i wymogi związane z przygotowaniem eksperymentu na pokładzie samolotu w czasie lotów parabolicznych, ale także budując platformę i testując swój chwytak w warunkach ziemskich.

–  Jesteśmy bardzo podekscytowani i ogromnie skupieni na szczegółach naszego eksperymentu – podkreśla Wiktoria. – To będzie dla nas duże wyzwanie, a przede wszystkim kluczowe momenty, do których przygotowywaliśmy się miesiącami. A do tego: jakby same loty paraboliczne nie były same w sobie wyjątkowe, to jeszcze w kampanii lotniczej weźmie udział Sławosz Uznański, przyszły polski astronauta, co sprawia, że nie możemy się doczekać drugiego tygodnia w Boredaux!

M.A.C.K.I Project tworzą: Michał Kos, student Embedded Robotics (st. magisterskie) na Wydziale Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów, Jakub Siuda, student elektroniki i telekomunikacji (st. magisterskie) na Wydziale Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów, Wiktoria Mrowiec, studentka zarządzania i inżynierii produkcji (st. magisterskie) na Wydziale Mechanicznym, Jakub Szwagierczak, student elektronicznych systemów mechatroniki (st. magisterskie) na Wydziale Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów, Patryk Śliwa, student Electronics (st. magisterskie) na Wydziale Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów, Jacek Grzegorzewski, student Embedded Robotics (st. magisterskie) na Wydziale Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów, Konrad Zaprucki, student mechaniki i budowy maszyn (st. magisterskie) na Wydziale Mechanicznym i Krzysztof Gliwiński, absolwent automatyki i robotyki (st. inżynierskie) na Wydziale Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów.

Ich opiekunem naukowym ze strony uczelni jest dr inż. Maciej Cholewiński z Katedry Kriogeniki i Inżynierii Lotniczej Wydziału Mechaniczno-Energetycznego.

lucy