Useremo i laser per creare strade lunari fondendo la polvere

L’Agenzia spaziale europea (ESA) ha utilizzato con successo un laser per sciogliere la polvere lunare simulata, aprendo la strada a una potenziale costruzione di strade sulla Luna, un passo cruciale per gestire le sfide legate alla polvere lunare nelle missioni future

Quando gli astronauti ritorneranno sulla superficie lunare, probabilmente probabilmente dovranno esplorare aree abbastanza distanti dal punto di atterraggio e per questo useranno gli speciali rover in via di sperimentazione. Questi rover somiglieranno ai camper che vediamo circolare normalmente per le strade della Terra ma non saranno solo ambienti per mangiare e dormire, conterranno strumentazioni scientifiche per effettuare rilievi e test e saranno provvisti di tutto il necessario per mantenere i contatti con la Terra e gli altri membri della missione.

Dall’esperienza delle missioni Apollo, la NASA ha imparato che la cosa più insidiosa che c’è sulla Luna è la regolite in polvere; si tratta di una polvere sottile e abrasiva, dotata di una carica statica che la rende perticolarmente adesiva, in grado di infiltrarsi praticamente ovunque facendo danni alle strutture e attaccandosi alle tute spaziali.

La polvere lunare è ultrafine, abrasiva e appiccicosa. Durante le missioni Apollo la polvere intasava le attrezzature e consumava le tute spaziali. Per limitare i danni che questa polvere abrasiva può fare sono state studiate tutta una serie di contromisure ma, quello che sembra essenziale, soprattutto per i rover, sarà la possibilità di muoversi su strade adeguate piuttosto che sulla polvere allo stato naturale.

In particolare, quando il rover lunare Apollo 17 perse il parafango posteriore, il veicolo fu così ricoperto di polvere che minacciò di surriscaldarsi, finché gli astronauti non improvvisarono una soluzione utilizzando mappe lunari riciclate. Il rover Lunokod 2 dell’Unione Sovietica morì effettivamente per surriscaldamento quando il suo radiatore si coprì di polvere.

Il lander Surveyor 3 venne ricoperto dalla polvere quando il modulo lunare Apollo 12 atterrò a circa 180 metri di distanza. Gli attuali modelli della NASA suggeriscono che durante la fase di atterraggio dei lander lunari previsti per il programma Artemis (al momento l’astronave Starship di SpaceX in via di sviluppo, per le prime 4 missioni, e un lander anch’esso in via di sviluppo di Blue Origin per le 4 successive), i pennacchi dei loro propulsori potrebbero rimuovere tonnellate di polvere, che potrebbe in buona parte aderire alle superfici del lander e coprire l’intera zona di atterraggio.

Per affrontare questo problema, l’ESA ha testato la creazione di superfici idonee alla circolazione stradale sciogliendo  polvere lunare simulata con un potente laser. Il progetto è stato riportato il 12 ottobre sulla rivista Scientific Reports.

A parere dei tecnici dell’ESA, la risposta più pratica al problema della polvere è quella di tenerla a bada pavimentando le aree di attività sulla Luna, costruendo strade e piste di atterraggio. L’idea di sciogliere la sabbia per creare delle strade fu proposta per la prima volta sulla Terra nel 1933.

Il progetto PAVER — Paving the road for large area sintering of regolite – dell’ESA ha studiato la fattibilità di questo stesso approccio per la realizzazione di strade lunari, guidato dal BAM Institute of Materials Research and Testing in Germania con l’Università di Aalen in Germania, LIQUIFER Systems Group in Austria e l’Università Clausthal in Germania of Technology, con il supporto dell’Istituto di fisica dei materiali nello spazio del Centro aerospaziale tedesco, DLR.

Un laser per sciogliere la polvere lunare

Il consorzio PAVER ha utilizzato un laser a anidride carbonica da 12 kilowatt per fondere la polvere lunare simulata in una superficie solida vetrosa, testando così un modo per costruire superfici pavimentate sulla faccia della Luna. Nelle strutture installate presso l’Università di Tecnologia di Clausthal, il consorzio ha raggiunto una dimensione dello spot di 5-10 cm.

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Procedendo per tentativi ed errori, hanno ideato una strategia utilizzando un raggio laser di 4,5 cm di diametro per produrre forme geometriche triangolari a centro cavo di circa 20 cm di diametro. Queste potrebbero essere interconnessi per creare superfici solide su vaste aree del suolo lunare che potrebbero fungere da strade o piattaforme di atterraggio. Credits: Consorzio PAVER

Il consorzio PAVER ha utilizzato un laser a anidride carbonica da 12 kilowatt per fondere la polvere lunare simulata in una superficie solida vetrosa, come un modo per costruire superfici pavimentate sulla faccia della Luna.

Come spiega l’ingegnere dei materiali dell’ESA Advenit Makaya, il progetto sta infatti tornando al concetto originale del 1933: “In pratica, non porteremmo un laser ad anidride carbonica sulla Luna. Invece, questo laser attuale serve come fonte di luce per i nostri esperimenti, per prendere il posto della luce solare lunare che potrebbe essere concentrata utilizzando una lente di Fresnel di un paio di metri di diametro per produrre una fusione equivalente sulla superficie della Luna”.

Metodologia e risultati

Durante i precedenti progetti di utilizzo delle risorse in situ – inclusa la costruzione di mattoni utilizzando il calore solare concentrato da uno specchio – abbiamo osservato lo scioglimento superficiale limitato a punti di fusione relativamente piccoli, da pochi millimetri a un paio di centimetri di diametro. Per costruire strade o piattaforme di atterraggio è necessario un punto focale molto più ampio, per poter scansionare un’area molto ampia in un lasso di tempo pratico”.

Nelle strutture installate presso l’Università di Tecnologia di Clausthal, il consorzio ha raggiunto una dimensione dello spot di 5-10 cm.

Advenit aggiunge: “In realtà si è rivelato più facile lavorare con la regolite con una dimensione del punto più grande, perché su scala millimetrica il riscaldamento produce sfere fuse che la tensione superficiale rende difficile aggregare insieme. Il raggio più grande produce uno strato stabile di regolite fusa che è più facile da controllare.

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Un singolo strato fuso è profondo circa 1,8 cm. Crediti: Consorzio PAVER

Il materiale risultante è simile al vetro e fragile, ma sarà soggetto principalmente a forze di compressione verso il basso. Anche se si rompesse sarebbe ancora utilizzabile, riparandolo se necessario”.

Il team ha scoperto che il riscaldamento di una pista raffreddata può causarne la rottura, quindi sono passati a geometrie che comportano incroci minimi. Un singolo strato fuso è profondo circa 1,8 cm; le strutture e le strade costruite potrebbero essere composte da più strati, a seconda delle forze di carico richieste.

Jens Günster, responsabile della divisione Processi di produzione multimateriale presso BAM, spiega: “Una profondità di fusione così elevata per produrre strutture massicce può essere raggiunta solo da grandi punti laser“.

Il team stima che una piattaforma di atterraggio di 100 mq con uno spessore di 2 cm di materiale denso potrebbe essere costruita in 115 giorni.

Origine e prospettive future

Questo progetto ha avuto origine da un invito a presentare idee gestito dall’elemento Discovery delle attività di base dell’ESA attraverso la piattaforma Open Space Innovation (OSIP). Questo aveva la finalità di selezionare idee di ricerca relative alla produzione e alla costruzione extraterrestre.

All’appello sono state presentate non meno di 69 idee. Di queste, sono state implementate un totale di 23 idee, sulla base di una valutazione da parte di un gruppo di esperti dell’ESA, che ha assegnato alle idee un punteggio in base alla loro novità. “Questa chiamata iniziale è stata un investimento efficace dal nostro punto di vista“, osserva Advenit, “ha aperto molteplici percorsi promettenti per indagini successive“.

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