The first European commercial research facility aboard the ISS, Space Applications Services' ICF, provides a platform for standardized plug-and-play experiments called ICE Cubes. The ICE Cubes Service provides engineering and operational support for ICE Cubes missions. In order to facilitate rapid and affordable access to space, a programmatic choice was made to mainly use COTS components in Cube design. As part of a company-internal project to develop a generic ICE Cubes platform for biological experiments, a scientific requirements document was drawn up in cooperation with interested scientists. A decision was made to aim for an experiment size of 2U (200x100x100mm). The main scientific requirements are to accommodate six reaction chambers (referred to as "wells") of standardized size; to control the temperature at well level to remain in the nominal interval of (37 +- 1)C; to accommodate a combined volume of 230ml of fluids; to provide capability to image each of the wells; and to allow for freezing of the biological payload to -80C for return to ground. The development of a prototype design for this platform, dubbed BioCube, is the topic of this thesis. Technical requirements were derived, and a functional breakdown was defined. From this, the system was partitioned into five subsystems: Thermal, Imaging/Avionics, Structure, Software, and the biological Payload. The development of the biological system is considered beyond the scope of this thesis, and the development of the software beyond that required for prototyping is left for a later stage in the design process, as significant heritage exists from previous experiments. Using a rapid prototyping approach, a prototype design for this experiment has been developed. The proposed solution utilizes a (205x104x101)mm outer structure, manufactured from aluminium and closed with two lids on the small faces. Inside, the system is split into a 3D printed avionics compartment and a payload compartment, surrounded by an air gap serving as thermal insulation. The payload compartment structure consists of aluminium, closed on one face with a transparent material through which the samples can be imaged, and provides a sealed interface connector for exchange of power and data. Both the outer structure and the payload compartment are sealed at the interfaces using O-ring seals, providing a combined two levels of biosafety containment to the payload. Manual latches on one of the lids of the outer structure allow it to be opened and the payload compartment to be extracted.The system avionics are based on a Raspberry Pi Zero with USB & Ethernet Hub and Motor Control expansion boards. A 5W silicon heating pad attached to the inside of the payload compartment provides heating, and is controlled using a PWM signal from the motor control board.Two cameras arranged in parallel are used to image wells arranged in two rows, reducing the required motion. One axis motion is implemented using a leadscrew mechanism actuated by a DC motor, driven by the motor control board. Prototyping has been performed on nearly every part of the proposed design. The leadscrew assembly has been successfully tested, and tests on a thermal model have successfully demonstrated binary thermal control achieving the nominal temperature range. Some points regarding the design remain to be defined, and more thorough verification and validation of the design remains to be performed. / La première installation de recherche commerciale européenne à bord de l'ISS, l'ICF de Space Applications Services, fournit une plateforme pour des expériences standardisées prêtes à l'emploi appelées ICE Cubes. Le ICE Cubes Service fournit un soutien technique et opérationnel pour les missions ICE Cubes. Afin de faciliter un accès rapide et abordable à l'espace, un choix programmatique a été fait d'utiliser principalement les composants COTS dans la conception des expériences. Dans le cadre d'un projet interne à l'entreprise visant à développer une plateforme ICE Cubes générique pour les expériences biologiques, un document sur les exigences scientifiques a été rédigé en coopération avec les scientifiques intéressés et il a été décidé de viser une taille d'expérience de 2 U (200x100x100 mm). Les principales exigences scientifiques sont les suivantes : accueillir 6 chambres de réaction ("puits") de la taille des puits d'une plaque à 6 puits ; contrôler la température au niveau des puits pour qu'elle reste dans l'intervalle nominal de (37 +- 1)C ; accueillir un volume combiné de 230ml de fluides ; fournir la capacité d'imager chacun des puits; et permettre la congélation de la charge utile biologique à -80\,$^\circ$C pour le retour au sol. Le développement d'un prototype de plate-forme, baptisé BioCube, est le sujet de cette thèse. Les exigences techniques ont été dérivées, et un découpage fonctionnel a été défini. A partir de là, le système a été divisé en cinq sous-systèmes : Thermique, Imagerie/Avionique, Structure, Logiciel, et la charge utile biologique. Le développement du système biologique est considéré comme hors de portée de cette thèse, et le développement du logiciel au-delà de ce qui est nécessaire pour le prototypage est laissé pour une étape ultérieure dans le processus de conception, car il existe un héritage important des expériences précédentes. En utilisant une approche de prototypage rapide, une conception de prototype pour cette expérience a été développée. La solution proposée utilise une structure extérieure de (205x104x101)mm, fabriquée en aluminium et fermée par deux couvercles sur les petites faces. À l'intérieur, le système est divisé en un compartiment avionique imprimé en 3D et un compartiment de charge utile, entourés d'une lame d'air servant d'isolation thermique. Le compartiment de la charge utile est en aluminium, fermé sur une face par un matériau transparent, à travers lequel les échantillons peuvent être imagés, et fournit un connecteur d'interface scellé pour l'échange d'énergie et de données. La structure extérieure et le compartiment de la charge utile sont scellés aux interfaces à l'aide de joints toriques, offrant ainsi deux niveaux combinés de confinement de biosécurité à la charge utile. Des loquets manuels sur l'un des couvercles de la structure extérieure permettent de l'ouvrir et d'extraire le compartiment de la charge utile.L'avionique du système est basée sur un Raspberry Pi Zero avec des cartes d'extension USB & Ethernet Hub et Motor Control.Un coussin chauffant en silicone de 5W fixé à l'intérieur du compartiment de la charge utile, assure le chauffage et est contrôlé par un signal PWM provenant de la carte de contrôle du moteur.Deux caméras disposées en parallèle sont utilisées pour imager les puits disposés sur deux rangées, ce qui réduit le mouvement nécessaire. Le mouvement sur un axe est réalisé à l'aide d'un mécanisme de vis sans fin actionné par un moteur à courant continu, piloté par la carte de commande du moteur. Le prototypage a été effectué sur presque toutes les parties de la conception proposée. L'assemblage de la vis sans fin a été testé avec succès, et les tests sur un modèle thermique ont démontré avec succès que le contrôle thermique binaire atteint la plage de température nominale. Certains points concernant la conception restent à définir, et une vérification et une validation plus approfondies de la conception restent à effectuer.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:ltu-88944 |
| Date | January 2021 |
| Creators | Hartmann, Anne Sophie |
| Publisher | Luleå tekniska universitet, Rymdteknik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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