Zajmował się przygotowaniem naziemnych treningów dla załóg przewidzianych do misji na ISS. 1998 – w lipcu został członkiem trzeciej grupy włoskich astronautów i jednocześnie włączono go do korpusu astronautów Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) mającego swoją siedzibę w Kolonii (Niemcy). W sierpniu rozpoczął przeszkolenie w Centrum Lotów Kosmicznych imienia Lyndona B. Johnsona w Houston w stanie Teksas razem z astronautami NASA z 17 naboru. 2000 – zakończył dwuletni kurs podstawowy i zdobył niezbędne kwalifikacje aby zostać przydzielonym do załogi wahadłowca i pracować na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. 2001 – w lipcu zakończył kurs dla operatorów ramienia-robota Canadarm zainstalowanego na pokładach wahadłowców. 2003 – we wrześniu pomyślnie zakończył szkolenie w zakresie prowadzenia prac w otwartym kosmosie. 2004 – w sierpniu został skierowany do Centrum Wyszkolenia Kosmonautów im. J. Gagarina w Gwiezdnym Miasteczku pod Moskwą, gdzie przeszedł podstawowe przeszkolenie w zakresie statku kosmicznego Sojuz. Później powrócił do Biura Astronautów NASA i w dalszym ciągu podnosił swoje kwalifikacje zawodowe. Ponadto wykonywał liczne zadania dla NASA, ESA i ASI. 2006 – 19 czerwca został przydzielony jako specjalista misji (MS-3) do załogi STS-120. Lot wahadłowca rozpoczął się 23 października 2007.