Design preliminare di un habitat lunare

Progettazione di veicoli aerospaziali

Progetto universitario

Corso: progettazione di veicoli aerospaziali

Il progetto verte sulla progettazione preliminare di un habitat lunare autosufficiente destinato a una colonia di venti astronauti per missioni di lunga durata (oltre 180 giorni). Verranno studiate le diverse componenti dell'habitat, analizzando le criticità specifiche, le soluzioni tecnologiche disponibili e le implicazioni ingegneristiche connesse alla realizzazione di un ambiente di vita sostenibile e autonomo sulla Luna. L'obiettivo ultimo è fornire una base solida per le fasi successive di progettazione e sviluppo, contribuendo alla realizzazione di una presenza umana stabile e duratura al di fuori del nostro pianeta.

Sito dell'insediamento: cratere di Shakelton

  • Sito al polo sud lunare (88o sud)
  • Circolare, diametro di 22 km, profondità 9.2 km
  • Presenza di ghiaccio d'acqua: possibilità di impiego per produzione di ossigeno e/o acqua e/o propellenti
  • Regolite lunare con composizione favorevole alla fusione per produzione di materiali in loco
  • Rischi e sfide:
    • Accessibilità alle zone d'ombra
    • Temperature estremamente basse

Ambienti interni (Human Integration Handbook, NASA)

  • Mensa
  • Area comune
  • Dormitorio
  • Servizi igenici
  • Palestra
  • Infermeria
  • Magazzino
  • Spazio di lavoro
  • Sala macchine
  • Area di coltivazione

Net Habitable Volume (NHV): secondo le direttive NASA per missioni di lunga durata in condizioni di microgravità è necessario un NHV di almeno 25m3 e una superficie di 9.9m2 per ciascun membro dell'equipaggio per garantirne il benessere psicologico; altri studi suggeriscono volumi e superfici molto maggiori (come nel caso dell ISS). In fase di design preliminare sono stati assegnati 40m3 e 16m2 a persona.

NB: Il NHV moltiplicato per il numero di membri dell'equipaggio non costituisce il volume totale dell'habitat, in quanto lo stesso non è comprensivo degi spazi occupati da arredi e equipaggiamenti (oltre a non comprendere gli spazi 'morti')!

Coltivazioni

Le tecniche di coltivazione idroponica rappresentano soluzioni molto promettenti grazie alla possibilità di sviluppare coltivazioni verticali e, in generale, di risparmiare spazio rispetto alle tecniche tradizionali.

Ambiente lunare

  • Radiazione solare
  • Radiazione cosmica
  • Presenza di micrometeoriti
  • Estreme fluttuazioni termiche

Una possibile soluzione alle problematiche sopra esposte è la schermatura delle unità modulari con uno strato di regolite lunare: una copertura dallo spessore di 3 metri garantisce una sensibile riduzione delle escursioni termiche, la protezione da eventuali impatti di micrometeoriti sulla calotta esterna, nonchè l'abbattimento delle radiazioni che penetrano all'interno della struttura.

Struttura

La realizzazione della base lunare, per come concettualizzata nella fase preliminare, prevede l'impiego di unità modulari semicilindriche costituite da sezioni ad arco giuntate, con raggio interno pari a 5 metri e una lunghezza di 12 metri in modo da soddisfare i requisiti minimi in termini di volume e superficie minima per membro dell'equipaggio; la scelta di impiegare una struttura semicilindrica deriva da un processo di trade-off e garantisce:

  • Facilità di trasporto
  • Semplicità costruttiva
  • Grande esperienza pregressa nella caratterizzazione dei carichi in una struttura ad arco

Fase fondamentale ai fini del dimensionamento della singola unità è l'identificazione dei carichi agenti sulla struttura, nonchè l'identificazione della condizione di carico più gravosa. Vengono analizzati i seguenti scenari operativi:

  • Struttura pressurizzata senza la copertura di regolite (fase di allestimento)
  • Struttura depressurizzata in presenza della copertura di regolite (fase di pressurizzazione/depressurizzazione)
  • Struttura pressurizzata e ricoperta di regolite (funzionamento nominale)

A differenza delle strutture ad arco terrestri, in cui i carichi prevalenti sono quelli gravitazionali (da cui la geometria che minimizza il momento flettente è un arco parabolico), per una struttura ad arco pressurizzata, i carichi dovuti alla pressurizzazione interna risultano i più gravosi, facendo si che la struttura più adatta ai fini della minimizzazione del momento flettente sia un arco semicircolare.

Per la struttura portante, l'analisi ha messo a confronto l'impiego di leghe leggere importate dalla Terra - caratterizzate da costi di lancio e volumi di carico proibitivi - con l'utilizzo di risorse locali. In questa fase preliminare, si è optato per la seconda soluzione, prevedendo la realizzazione delle unità modulari in regolite fusa (cast regolith), ottimizzando così la logistica e la sostenibilità della missione.

Viene effettuato un calcolo bidimensionale statico di prima approssimazione considerando un arco a tre cerniere soggetto alle tre condizioni di carico principali; il calcolo è stato iterato fino a convergenza (peso strutturale incognito finchè non vengono definite le dimensioni degli elementi strutturali) ed ha reso possibile l'identificazione delle caratteristiche di sollecitazione e quindi delle dimensioni degli elementi strutturali che garantiscano la sopravvivenza della struttura in tutti gli scenari operativi.

Ambiente termico

L’ambiente termico lunare è caratterizzato da notevoli escursioni di temperatura che devono essere tenute in considerazione per il design preliminare dell’impianto di controllo termico, nonchè per la corretta definizione dei materiali da impiegare; tali variazioni di temperatura dipendono principalmente dal ciclo ’notte/giorno’, dalla latitudine dell’insediamento e dalla quota del sito scelto. In assenza di atmosfera le uniche modalità di scambio termico possibili sono la conduzione e l'irraggiamento.

Flussi termici per conduzione:

  • Flusso tra ambiente interno - copertura esterna (regolite)
  • Flusso attraverso i punti di ancoraggio alla superficie lunare Flussi termici per irraggiamento:
  • Irraggiamento solare diretto e indiretto (entrante)
  • Radiazione infrarossa emessa dalla Luna (entrante)
  • Radiazione cosmica di fondo (entrante)
  • Irraggiamento irraggiamento della copertura di regolite (uscente)

NB: è fondamentale considerare, oltre ai flussi termici entranti e uscenti, anche le sorgenti di calore interne all'habitat (apparecchiature elettroniche e calore emesso dall'equipaggio)