Progettazione del sistema di miscelazione per il sample container dello strumento VENOM

This thesis work focuses on the design and structural analysis of the mixing system for the Sample Container of the VENOM instrument (Venture ExtractioN of Organic Molecules), an innovative micro-laboratory designed for the CubeSat format. Developed by the Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) and the Centro di Ateneo di Studi e Attività Spaziali (CISAS) of the University of Padua, in collaboration with the Italian Space Agen- cy (ASI), VENOM aims to advance astrobiological research by integrating Lab-on-a-Chip technologies, previously validated in the AstroBio CubeSat mission, for the analysis of both liquid and solid samples. The primary design challenge was driven by the strict dimensional constraints typical of the CubeSat platform. A compact magnetic stirring system was developed, based on a gear transmission that allows for the synchronized rotation of two permanent magnets. This solution ensures the sample mixing required for biochemical analyses while minimizing mechanical footprint and maintaining the required onboard conditions. Furthermore, a protective casing and gear support were designed for integration within the CubeSat structure. The system’s integrity was verified through a Finite Element Analysis (FEA) campaign. Specifically, a modal analysis was conducted to determine the structure’s natural frequencies and ensure decoupling from the launcher’s vibrational loads, followed by a static analysis to validate the mechanical response of the casing and supports under peak inertial loads. The results confirm the design premises and its resistance to the typical stresses of space missions.

Il presente lavoro di tesi riguarda la progettazione e l’analisi strutturale del sistema di miscelazione per il Sample Container dello strumento VENOM (Venture ExtractioN of Organic Molecules), un innovativo micro-laboratorio sviluppato per il formato CubeSat dall’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e dal Centro di Ateneo di Studi e Attività Spaziali (CISAS) dell’Università di Padova, in collaborazione con l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI). VENOM si pone l’obiettivo di avanzare la ricerca astrobiologica integrando tecnologie Lab-on-a-Chip, già validate nella missione AstroBio CubeSat, per l’analisi di campioni sia liquidi che solidi. La sfida principale della progettazione è stata dettata dai severi vincoli dimensionali tipici della piattaforma CubeSat. È stato ideato un sistema di agitazione magnetica compatto, basato su una trasmissione a ingranaggi che permette la rotazione sincronizzata di due magneti permanenti. Tale soluzione garantisce la miscelazione del campione necessaria per le analisi biochimiche, minimizzando l’ingombro meccanico e mantenendo le condizioni operative richieste a bordo. Inoltre, è stato progettato un carter di protezione e supporto per gli ingranaggi, ottimizzato per l’integrazione con la struttura del CubeSat. L’integrità del sistema è stata verificata attraverso una campagna di analisi agli elementi finiti (FEM). Nello specifico, è stata condotta un’analisi modale per determinare le frequenze proprie della struttura e assicurarne il disaccoppiamento dai carichi vibrazionali del lanciatore, seguita da un’analisi statica per validare la risposta meccanica del carter e dei supporti sotto i carichi inerziali di picco. I risultati ottenuti confermano la validità del design e la sua resistenza alle sollecitazioni tipiche delle missioni spaziali.