Missioni come l’atterraggio sulla Luna previsto con la missione Artemis III nel 2025, unitamente ai progetti per la realizzazione di vere e proprie miniere sul nostro satellite naturale per l’estrazione di ghiaccio d’acqua e materie prime stanno per lanciare una nuova era che vedrà l’uomo espandersi nel sistema solare, sia per l’esplorazione che per trovare quelle materie prime che sul nostro pianeta cominciano a scarseggiare.
La fantasia sfrenata di scrittori di fantascienza e soggettisti cinematografici e televisivi impallidirà di fronte alla realtà, mentre la Luna diventerà il primo avamposto dell’umanità, fino a trasformarsi in una vera e propria colonia scientifica e tecnologica autosufficiente.
Per raggiungere questi obiettivi sarà necessario fare si che che sia possibile ottenere ed elaborare materie prime e materiali d’uso direttamente sulla Luna per poter costruire strutture a macchinari adeguati per realizzare le infrastrutture necessarie al sostentamento degli esseri umani in loco.
Per sviluppare le tecnologie necessarie, la NASA sta investendo in innovazioni ingegneristiche sia nel mondo accademico che industriale. Tra gli altri investimenti, l’agenzia spaziale ha assegnato nel 2022 alla società di stampa 3D Icon, con sede ad Austin, un contratto da 57,2 milioni di dollari per costruire strade lunari e altre infrastrutture. Nell’ambito del programma spaziale, le missioni Artemis getteranno le basi per una presenza umana sostenibile a lungo termine sulla Luna, comprese dimostrazioni di strumenti per l’estrazione di metalli.
Dal punto di vista accademico, ingegneri come Sven G. Bilén, professore alla Penn State University, stanno studiando progetti realizzabili per l’infrastruttura della superficie lunare, inclusa la stampa 3D per habitat e strade e l’uso di microonde per alimentare una varietà di applicazioni lunari.
Perché avremo bisogno di strade sulla Luna
Le strade sulla luna non saranno pensate solo per sembrare futuristiche e belle. È noto che guidare un rover sulla nuda regolite (lo strato superiore di polvere, terra e roccia sbriciolata della luna) è causa di problemi e pericoli. Gli astronauti del programma Apollo ebbero non pochi problemi causati dalla polvere sollevata dalle ruote del rover, così sottile ed impalpabile da infilarsi praticamente ovunque, creando situazioni pericolose per le tute spaziali ed i meccanismi esposti.
“Il problema è che la regolite non viene smussata dagli agenti atmosferici come la sabbia o la ghiaia sulla Terra, quindi i suoi minuscoli grani sono come piccole lame di rasoio frastagliate. E quelle lame di rasoio entrano in ogni singola giuntura, in ogni singola guarnizione di gomma, e le danneggiano“, ha spiegato Bilén in un’intervista rilasciata a Popular Mechanics.
Inoltre, la polvere lunare è composta da minuscole particelle caricate elettrostaticamente che non solo si attaccano a tutto, ma possono essere inalate, rendendole pericolose per la nostra salute. Una strada piana e compatta eviterebbe di sollevare polvere.
Sulla Terra usiamo un legante di acqua, sabbia fine e piccole quantità di altri composti che subiscono un processo di indurimento chimico. Sulla Luna, dovremo fare i conti con la mancanza degli ingredienti che di solito usiamo per le strade.
Stampa 3D di calcestruzzo extraterre09stre
Ecco perché fare cemento con la regolite sarà una necessità fondamentale. Bilén e Aleksandra Radlińska, professoressa di ingegneria civile alla Penn State, facevano parte di un team interdisciplinare che ha vinto il secondo posto nella competizione 3D-Printed Habitat Challenge della NASA nel 2019. Radlińska e i suoi colleghi di ingegneria civile hanno progettato il calcestruzzo necessario per costruire un habitat marziano stabile, stampato roboticamente in 3D. Si basava su un tipo di “marscrete”, un materiale che incorpora zolfo fuso mescolato a sabbia; vari ingegneri, non solo alla Penn State, hanno studiato gli usi del marscrete.
Il cemento del team della Penn State doveva imitare il suolo marziano e utilizzare pochissima acqua. Nel bel mezzo della competizione, tuttavia, gli scienziati hanno scoperto in modo definitivo che Marte ha acqua, quindi gli ingegneri sono stati in grado di cambiare la loro miscela per utilizzare il più conveniente cemento Portland, il tipo più comune di cemento utilizzato nelle industrie edilizie. È una combinazione di minerali calcarei e argillosi, insieme ad un po’ di gesso e, naturalmente, acqua.
La Luna richiederà un diverso tipo di miscela di cemento, basata sulla regolite lunare. Il team di Radlińska ha inviato materiali simulati di regolite lunare alla stazione spaziale negli ultimi anni per testare quanto bene si mescolassero con l’acqua a diversi livelli di gravità. Alcuni dei campioni sono stati attaccati all’esterno della stazione spaziale per imitare le temperature estreme e le radiazioni sulla luna.
Nel 2022, Radlińska ha dichiarato all’American Society of Civil Engineers (ASCE) che l’eventuale calcestruzzo lunare potrebbe non contenere acqua, perché qualsiasi traccia del prezioso liquido sarà preziosa, utilizzata per il supporto vitale e altre esigenze. E ci sono altre sfide, come progettare attorno alle numerose crepe che si formano nel cemento a gravità molto bassa. Ciò si verifica perché “i carichi sono distribuiti in modo diverso nello spazio rispetto alla Terra, quindi l’equilibrio di trazione e compressione di questi nuovi materiali dovrà essere regolato“, ha detto Radlinska all’ASCE. Una soluzione potrebbe incorporare fibre di basalto, trovato sulla Luna, per rinforzare la miscela di cemento, ha suggerito.
Qualunque sia la forma che assumerà il materiale da costruzione grezzo, il team della Penn State ha dimostrato che una sorta di tecnica di stampa 3D potrebbe essere il metodo di costruzione ideale per la Luna; è efficiente e molto più economico del trasporto di materiale dalla Terra. I costi attuali per lanciare un razzo e il suo carico nell’orbita terrestre sono di circa 10.000 dollari al chilogrammo. L’utilizzo delle risorse disponibili proprio sulla Luna è una soluzione molto più praticabile.
A marzo, la NASA ha selezionato il gruppo di ricerca di studenti di Bilén presso la Penn State per la sua sfida rivoluzionaria (BIG). Sperimenteranno modi creativi per raccogliere metallo sulla luna. Questi metalli di regolite potrebbero potenzialmente essere usati per rinforzare le strade in cemento, dice Bilén. Sulla Terra, sosteniamo le strutture in cemento inserendo armature, che sono barre di metallo. Sulla Luna potremmo forse estrarre l’ilmenite, un ossido di ferro-titanio nero presente nella regolite. La fusione, ovvero il riscaldamento e la fusione dell’ossido per estrarne i componenti metallici, potrebbe produrre armature per la strada lunare, afferma Bilén.
All’Università di Manchester, un team ha recentemente inventato “StarCrete”, mescolando il suolo marziano simulato con un legante di fecola di patate e un po’ di sale. Il risultato si è rivelato due volte più forte del cemento tradizionale, rendendolo un buon candidato per progetti di costruzione extraterrestri.
La NASA effettuerà piccole dimostrazioni tecnologiche sulla Luna nei prossimi anni mettendo in pratica i progetti di vari gruppi di ricerca di tutto il mondo ma Bilén avverte che, mentre questi saranno un passo importante, siamo ancora lontani dal definire metodi di costruzione sulla Luna. “C’è una grande differenza tra dimostrare qualcosa e realizzare effettivamente una costruzione su vasta scala sulla Luna“, dice.
Lavorazione dei metalli con tecnologia a microonde
Oltre alla tecnologia di stampa 3D e alla creazione di cemento lunare, una delle aree in cui la NASA sta investendo dollari nella ricerca è la sinterizzazione a microonde, che utilizzerebbe microonde ad alta potenza per riscaldare e comprimere la polvere metallica fino a quando non si indurisce in un materiale resistente. Il risultato potrebbe assomigliare un po’ al vetro, e potrebbe essere modellato in mattoni e inserito nelle strade o in qualche altra struttura. Le microonde potrebbero migliorare la cura di un processo concreto, afferma Bilén, che sta esplorando i molti potenziali usi della tecnologia a microonde sulla Luna.
Potremmo avere una “economia a microonde” sul nostro satellite naturale, dice, perché le microonde potrebbero essere utilizzate per alimentare una varietà di applicazioni nel corso della produzione di materiali stradali e mattoni, come la lavorazione dei metalli. Le microonde possono anche servire per applicazioni mediche, processi agricoli e, naturalmente, cucinare. Con le microonde, la trasmissione di energia può evitare un lungo cablaggio. “Potremo trasmettere energia da un posto all’altro sulla Luna per far funzionare i rover e cose del genere“, sostiene Bilén. Uno dei suoi studenti sta lavorando a una tecnologia di propulsione ad acqua che utilizza, ad esempio, le microonde a raggi.
Costruire strade intorno alle caratteristiche naturali
La stessa topografia lunare è una risorsa per l’infrastruttura lunare, afferma Bilén. Ad esempio, gli scienziati stanno prendendo in considerazione l’utilizzo di tubi di lava vuoti per le abitazioni, ma potrebbero anche essere utilizzati come depositi di stoccaggio per veicoli e materiali. “La cosa bella è che non devi costruirli. Devi solo appianarli“, dice Bilén.
Allo stesso modo, i crateri potrebbero essere usati per gli scudi anti-esplosione, o come siti di atterraggio, o forse come base di un habitat. “È come per i pianificatori stradali sulla Terra. Usano la topologia, le caratteristiche del paesaggio. Se c’è una montagna, non si limitano a trivellarla, giusto? A meno che non sia il modo più efficiente ed efficace per farlo”, dice. Allo stesso modo, potremo costruire strade e aree di lavoro o abitative attorno alla topografia lunare naturale.
La Luna sarà anche un punto di partenza per avventurarsi più lontano nello spazio. La NASA ha annunciato il suo programma Moon to Mars alla fine di marzo. Il relativo programma Moon-to-Mars Planetary Autonomous Construction Technology (MMPACT) dell’agenzia si concentra sulla costruzione lunare, applicando ciò che apprenderemo sulla Luna agli habitat di Marte.
Bilén ipotizza che non avremo personale stabile sulla Luna fino al 2030. Siamo solo all’inizio del lavoro necessario per trasformare in realtà una presenza umana sostenuta sulla Luna e qiesto accadrà solo attraverso la collaborazione tra discipline separate, come architetti, ingegneri civili e ingegneri elettrici.
Fortunatamente, tale collaborazione sta diventando più comune per le missioni con portata interplanetaria. “Non è un problema banale. Le innovazioni avvengono quando riunisci persone di diversa estrazione. Sono loro che troveranno queste soluzioni innovative”, conclude.
