Interconnected lightsails for space exploration

The scope of this thesis is to explore the possible development of a swarm of interconnected lightsails for efficient and scalable space exploration. We focus on the comprehensive design and analysis of a nanosatellite architecture that relies on photonic thrusters (lightsail), alongside sophisticated laser communication systems tailored to ensure a reliable and efficient data transfer. The analysis of different propulsion methods suggests that the best choice for such a mission is the use of the lightsail technology together with a lightweight payload based on the CubeSat architecture. Additionally, this study investigates the integration of an optical communication system for long-distance space transmission, based on the existing technologies borrowed from the LCRD (Laser Communication Relay Demonstration) and LLCD (Lunar Laser Communication Demonstration) missions. Referring to these technologies, the thesis will examine the available modulation schemes and, via the exploitation of link budget computations, the maximum distances at which the probes have to be set apart is computed. Based on the results obtained, a preferred topology is recommended to ensure reliable communication between the satellites. Given that multiple probes within the swarm may fail during exploration, several redundancies and safeguards have been implemented to maintain the minimal operational performance of the swarm. Moreover, the thesis proposes some future innovations that could be adapted to improve the operations of the swarm and increase the reliability of the communication systems and of the lightsail architecture.

Lo scopo di questa tesi è quello di approfondire la possibilità di sviluppare uno sciame di vele solari interconesse per un’esplorazione spaziale efficente e scalabile. Il seguente lavoro si concentra sulla completa progettazione ed analisi dell’architettura di nanosatelliti che si baserà su propulsori fotonici (vele solari), affiancati da soffisticati sistemi di comunicazione laser progettati per garantire un trasferimento dei dati affidabile ed efficiente. L’analisi dei diversi metodi di propulsione dimostrerà che la scelta migliore per una tale missione è l’utilizzo della tecnologia delle vele solari in combinazione con un payload leggero basato sull’architettura CubeSat. Inoltre, questo studio prevede l’integrazione di un sistema di comunicazione ottico per la trasmissione a lunga distanza, questo si baserà sulle tecnologie esistenti dalle missioni LCRD (Laser Communication Relay Demonstration) e LLCD (Lunar Laser Communication Demonstration). Facendo riferimento alle tecnologie sopra citate, la tesi esaminerà gli schemi di modulazione disponibili e, tramite il calcolo del link budget, calcolerà le distanze massime a cui le sonde devono essere posizionate. In base ai risultati ottenuti, viene dunque raccomandata una particolare topologia per garantire un’affidabile comunicazione tra i vari satelliti. Dato che più sonde all’interno dello sciame possono guastarsi durante l’esplorazione, sono state implementate diverse ridondanze e margini al fine di poter sempre mantenere le minime prestazioni dello sciame. Inoltre, la tesi propone alcune future innovazioni che potrebbero essere adottate per migliorare le operazioni dello sciame e aumentare l’affidabilità dei sistemi di comunicazione e dell’architettura delle vele solari.