Al termine degli studi a livello universitario per l'addestramento come pilota nel 2001, Parmitano ha volato sugli AM-X con il 13^ Gruppo, 32^ Stormo, ad Amendola, Italia, dal 2001 al 2007. Durante questo periodo, ha ottenuto tutte le qualificazioni con tale velivolo, comprese ‘Combat Ready’, ‘Four Ship Leader’ e Mission Commander/Package Leader.

Come membro del 13^ Gruppo ha ricoperto il ruolo di Capo della Sezione Addestramento e di Comandante della 76^ squadriglia. È stato inoltre EWO (Electronic Warfare Officer)del 32^ Stormo.

Nel 2007 è stato selezionato dall'Aeronautica Italiana per diventare pilota collaudatore. Si è addestrato come Experimental Test Pilot alla EPNER, la scuola per piloti sperimentatori francese ad Istres.

Parmitano è Tenente Colonnello dell'Aeronautica Italiana. Ha accumulato più di 2000 ore di volo, si è qualificato su oltre 20 tipi tra aerei ed elicotteri militari, ha volato su oltre 40 tipi diversi di velivoli.

Parmitano è stato selezionato come astronauta ESA nel maggio 2009.

Nel febbraio 2011, Parmitano è stato assegnato come ingegnere di volo alla prima missione di lunga durata dell'Agenzia Spaziale Italiana (ASI) sulla Stazione Spaziale Internazionale. Luca è partito a bordo di un lanciatore Soyuz il 28 maggio 2013 dal cosmodromo di Baikonour, Kazakistan.

Durante la missione Volare, Luca ha trascorso 166 giorni nello spazio portando avanti oltre 20 esperimenti e prendendo parte a due attività extra veicolari e all'attracco di quattro navette. È rientrato a Terra l'11 novembre 2013.

Luca era il principale CAPCOM - o Capsule Communicator - durante la prima passeggiata spaziale, che ha avuto luogo il 13 gennaio 2017, del collega e astronauta ESA Thomas Pesquet, con la sua missione Proxima. L'uscita extra veicolare è stata completata in 5 ore e 58 minuti.

Il 18 gennaio 2017, durante la conferenza stampa annuale, il Direttore Generale dell'ESA Jan Woerner ha confermato che Luca è stato assegnato ad una seconda missione sulla ISS, nel 2019.

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