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Strutture spaziali su scala chilometrica per la generazione di gravità artificiale

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La presenza umana sostenuta nello spazio è stato un obiettivo fondamentale perseguito dalla NASA per decenni. Il recente Piano della NASA per l’esplorazione e lo sviluppo lunare delinea una visione per l’esplorazione umana a lungo termine dello spazio cislunare, sulla superficie lunare e su Marte come parte del programma Artemis. Il volo spaziale di lunga durata pone serie sfide per il corpo umano, tra cui atrofia muscolare, perdita ossea, degrado della vista e immunosoppressione, oltre a problemi psicologici. Molti di questi effetti sono legati alla mancanza di gravità.

Sebbene siano stati compiuti progressi significativi nella mitigazione dei sintomi individuali associati all’esposizione a zero g a lungo termine, la capacità di generare gravità artificiale eliminerebbe la causa principale di molti problemi e potrebbe migliorare notevolmente la salute dell’equipaggio nelle missioni di lunga durata.

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I concetti per la rotazione degli habitat spaziali come mezzo per generare gravità artificiale risalgono a più di un secolo fa. Tuttavia, gli esseri umani soffrono di disagio dall’esposizione a velocità di rotazione fino a 3 RPM. Per produrre una gravità artificiale vicina a 1 g a velocità di rotazione di 1-2 RPM, è necessaria una struttura su scala chilometrica.

Il cuore della soluzione è una struttura dispiegabile ad alto rapporto di espansione (HERDS) costruita con metamateriali meccanici. Nello specifico, si cercherà di sfruttare due scoperte cinematiche fatte negli ultimi 5 anni: shearing auxetics e meccanismi a forbice ramificata. L’idea è quella di produrre strutture tubolari con un rapporto di espansione 150x senza precedenti.

Lo studio di Fase I NIAC ha dimostrato la fattibilità di questo approccio e ha indicato diversi problemi tecnici che devono essere affrontati nella Fase II.

Il lavoro tecnico chiave nella fase II si concentrerà su quattro assi specifici:

  1. Modellazione e comprensione in dettaglio delle complesse dinamiche di distribuzione della struttura gerarchica in espansione.
  2. Mitigazione del jamming durante l’implementazione in presenza di errori di produzione e disturbi esterni mediante simulazione e ottimizzazione del design.
  3. Prototipazione rapida e iterazione di progettazione basata su hardware per calibrare i modelli e valutare i componenti del sottosistema.
  4. Convalida sperimentale di prototipi su scala metrica con migliaia di collegamenti per dimostrare l’implementazione senza inceppamenti e rapporti di espansione elevati.

Questo lavoro avrà un impatto immediato ed a lungo termine per gli obiettivi della NASA. A breve termine, una tale struttura renderebbe possibile un’abitazione umana sostenuta nello spazio cislunare, ad esempio come parte del Lunar Gateway. A medio-lungo termine, tali strutture saranno fondamentali per sostenere gli esseri umani nello spazio profondo. Infine, le grandi strutture faranno avanzare anche l’astronomia supportando array di telescopi su larga scala.

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Insomma, le stazioni spaziali rotanti in grado di generare gravità artificiali potrebbero essere ormai lontane solo 10 o 20 anni.

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