Negli ultimi anni, si è potuto assistere ad una crescente agitazione nel campo spaziale, innescata dalle future missioni previste, che propongono ancora una volta il desiderio di esplorazione come propulsore principale. Con un insediamento permanente sulla Luna e un, ancora molto futuribile, atterraggio con equipaggio su Marte come obiettivi a guidare ambizione e sforzi, un grande slancio viene dato alla ricerca, al fine di colmare le lacune che ancora rendono queste prospettive impraticabili. Tutto ciò è dovuto anche al fatto che in futuro anche sulla Terra si potrà vivere in ambienti più ostili causati dal cambiamento climatico come la crescente desertificazione del nostro pianeta. In questo ambito ciò che stiamo preparando come insediamento abitativo per Luna o Marte potrebbe essere già utile sulla Terra. Per prepararsi a questo contesto, l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) sta ora esaminando lo sviluppo di una struttura per una futura missione sulla Luna.
Si dovranno testare tecnologie, architetture, design, servizi futuri, ecc. e, al fine di aumentare la fattibilità di un tale progetto, una strategia sarebbe quella di creare un habitat con costi e volumi limitati in modo da poter utilizzare l'attuale tecnologia di lancio.
Questo lavoro presenta diversi progetti in base di sviluppo per una struttura di simulazione lunare basata sull'utilizzo e il restyling degli attuali modelli della ISS, come la progettazione dell'habitat Future Lunar Exploration (FLEXhab) per la prossima struttura analoga alla Luna presso l'ESA Astronaut Training Center (EAC) in Germania, il progetto EXOHAB presso ESA-ESTEC/ILEWG nei Paesi Bassi e il progetto Modular Analogue Research Station (M.A.R.S) in Polonia.
Ci occuperemo di tutti questi progetti nel corso di vari articoli cercando di spiegare i vari habitat e le difficoltà che questo progetto pone anche sulla stessa Terra.
FLEXhab e LUNA
FLEXhab è il nome dell'habitat Future Lunar Exploration con sede presso EAC.
Il contratto per la sua progettazione e costruzione era stato siglato da DLR, ESA e Air Liquide al 69° Congresso Astronautico Internazionale di Brema. L'accordo è stato firmato da Hansjörg Dittus, membro del comitato esecutivo per la ricerca e la tecnologia spaziale di DLR, David Parker, direttore dell'esplorazione umana e robotica dell'ESA e Benoit Hilbert, CEO di Air of Liquide.
Nella foto i firmatari del contratto. Crediti ESA
Lo scopo di questo accordo è costruire un sistema energetico per un simulatore lunare.
Il suo concetto architettonico è attualmente ancora in fase di progettazione come parte di un'iniziativa SpaceShip EAC presso EAC. Il concetto FLEXhab è progettato per essere collegato a LUNA, in origine era stata pensata come una cupola gonfiabile che doveva rappresentare la superficie lunare ma adesso il progetto è cambiato e da cupola è diventato una costruzione rettangolare attualmente in procinto di essere costruita presso il campus ESA/DLR di Colonia in Germania.
Aspetti del progetto
Considerando il prossimo piano per una struttura di simulazione dell’habitat presso l’EAC, ci sono tre aspetti principali che devono essere affrontati:
- Utilizzo dello spazio in conformità con l'ambiente lunare e vincoli di lancio (dimensione e peso del carico, radiazione, differenza di gravità, isolamento)
- Interazioni degli esseri umani nella gravità lunare
- Tutti i fattori umani coinvolti in tali condizioni: operativi, fisici, ambientali, socio-culturali e psicologici.
In particolare, tale progetto dovrebbe essere sviluppato al fine di:
- creare uno strumento per addestrare gli astronauti, sviluppare apparecchiature e procedure di test e svolgere ricerca scientifica.
- Creare un centro europeo per la simulazione di missioni sulla Luna.
- Sostenere la sensibilizzazione e il coinvolgimento del pubblico senza compromettere la qualità scientifica della simulazione della missione.
Gli elementi chiave del progetto sono la multifunzionalità e la flessibilità della disposizione degli spazi e dell'utilizzo delle attrezzature.
In cosa consiste il progetto
- Analisi delle esigenze degli utenti e dei collaboratori (astronauti, scienziati, formatori, visitatori, sponsor, ecc.)
- Definizione degli obiettivi della struttura (simulazione di gravità ridotta, isolamento, ecc.)
- Strategia per raggiungere gli obiettivi (peso sospeso, isolamento della struttura dai visitatori esterni durante la simulazione, ecc.)
- Schizzi 3D del progetto
- Descrizione e visualizzazione di esempi di scenari di utilizzo rilevanti
- Considerazioni riguardanti l'utilizzo e il restyling degli attuali mockup della ISS.
Creando un habitat
I principi di progettazione e i requisiti di FLEXhab sono stati creati da una serie di interviste con esperti in materia EAC e precedenti partecipanti a voli analogici/spaziali. La funzione primaria di FLEXhab è quella di fornire un habitat analogico per soddisfare le esigenze dell'EAC nello sviluppo di operazioni e addestramento per future missioni esplorative oltre la Stazione Spaziale Internazionale (ISS), in particolare per potenziali missioni umane e telerobotiche sulla superficie selenica.
Il modulo FLEXhab e Luna in immagine randerizzata. Crediti: ESA
Dal punto di vista architettonico, l’obiettivo progettuale di FLEXhab è consentire a EAC di eseguire simulazioni analogiche in modo flessibile, riconfigurabile, economico e tempestivo, adattato alle esigenze di EAC e dei suoi partner per qualsiasi potenziale scenario di missione lunare.
In termini di scala, l'habitat è progettato per ospitare equipaggi fino a quattro persone con dimensioni simili a quelle del modulo Columbus, che si trova sulla ISS, superandolo solo in lunghezza. La sua struttura esterna si basa su metodi utilizzati nel settore navale per fornire un ambiente pressurizzato ed ermeticamente sigillato a costi ridotti. Ciò consente a FLEXhab di fornire un banco di prova per sistemi di controllo ambientale e supporto vitale (ECLSS) sviluppati in Europa.
La camera di equilibrio primaria di FLEXhab è progettata per essere collegata a LUNA, la struttura contenente un fax simile della superficie lunare, dove verranno effettuate EVA e teleoperazioni robotiche.
Si prevede che FLEXhab sarà utilizzato per testare tecniche di mitigazione della regolite, lo strato esterno della superficie lunare.
Spaccato del modulo Flexhab. Crediti: ESA
Il disegno complessivo dell’habitat incorpora capacità di estensione modulare e il progetto è concepito in tre fasi nel corso della sua evoluzione nel tempo. Ogni fase incorpora un modulo aggiuntivo, espandendo così le capacità di simulazione di EAC.
Immagine esterna di come apparirà il modulo Flexhub. Crediti: ESA
I moduli FLEXhab si basano sui limiti dimensionali del modulo Columbus per aumentare la fattibilità del progetto. I moduli sono progettati come segue:
- Modulo principale: stazioni di lavoro e operazioni EVA.
- Modulo Abitazione
- Modulo serra
Per massimizzare la flessibilità con un volume limitato, i tipi di architettura trasformabili sono stati considerati un precedente, sia nell’architettura terrestre che nella progettazione dell’habitat spaziale. In particolare, l'attenzione si è concentrata sulle diverse tipologie di architetture dinamiche pieghevoli e scorrevoli utilizzate nella progettazione di piccoli spazi abitativi, e sull'architettura mobile. Il suo concetto iniziale si basa sul prototipo RAF (Random Access Frames) sviluppato dal JPL come alternativa allo standard ISPR (International Standard Payload Rack) per l'uso a bordo della Stazione Spaziale Internazionale in un ambiente di microgravità.
Una seconda immagine dello spaccato interno nel nuovo modulo abitativo. Crediti: ESA
Il FLEXrack ospiterà carichi utili e postazioni di lavoro, che verranno incorporati nel design FLEXrack. Tali spazi possono essere aperti dalla struttura della scaffalatura, così come i bozzoli per dormire e gli spazi ricreativi per l'equipaggio.
Una rappresentazione fotografica realistica dell'interno dei FLEXrack. Crediti ESA
Il design architettonico FLEXrack consente di ottenere diverse configurazioni interne a seconda dell'attività svolta dagli utenti FLEXhab, massimizzando il volume libero e la flessibilità per i requisiti della missione analogica di EAC.
L'importanza della illuminazione
Vivere in un ambiente artificiale senza accesso alla luce solare naturale ha una forte influenza sull’orologio circadiano degli esseri umani. La luce è il più potente sincronizzatore dell’orologio biologico interno umano. Le condizioni ambientali, tuttavia, sono diverse in un ambiente extraterrestre, come nell’orbita bassa terrestre, nello spazio profondo o sulla Luna. L’esposizione alla luce solare nello spazio è influenzata dalla posizione specifica dell’habitat rispetto al Sole, nonché dallo specifico sistema di habitat, che determina la quantità di esposizione dell’equipaggio alle radiazioni. Pertanto, le interruzioni nei cicli sonno-veglia sono comuni tra gli astronauti. Inoltre, è noto che la mancanza di luce solare induce il disturbo affettivo stagionale (SAD), che si manifesta con affaticamento, problemi di concentrazione e di memoria, calo dell'umore, obesità e molte altre malattie.
Esempi per ottenere una migliore luminosità utilizzando led con vari colori. Crediti: ESA
Sono stati sviluppati simulatori artificiali della luce solare e sul mercato compaiono versioni ancora migliorate, tuttavia mancano ancora studi accurati su specifiche lunghezze d'onda della luce che influenzano la segnalazione neurochimica nel sistema nervoso centrale. I simulatori intelligenti di luce solare insieme ai sistemi di illuminazione ciclica sono progettati per FLEXhab per studiare i circuiti ritmici dei neurotrasmettitori nel cervello umano durante le future missioni analogiche.
Specifiche lunghezze d'onda della luce e specifici filtri polarizzati verranno utilizzati per agire sui percorsi di input dell'orologio biologico e sui centri di percezione del tempo nel sistema nervoso centrale. L'analisi dei livelli dei neurotrasmettitori verrà eseguita durante le future missioni.
Sistema energia
La ricerca su un sistema energetico robusto e affidabile è al centro del progetto LUNA. Grandi quantità di energia devono essere immagazzinate nel modo più compatto possibile – e per un lungo periodo di tempo – per soddisfare l’elevata domanda di una base lunare. Dopotutto, una notte dura più di due settimane, o 354 ore, nella maggior parte delle regioni lunari, il che rappresenta una sfida enorme per il sistema energetico.
Come dovrebbe apparire l'impianto energetico che alimenta il modulo. Crediti: ESA
Il piano è quello di utilizzare l’energia solare per dividere l’acqua in idrogeno e ossigeno mediante elettrolisi della membrana elettrolitica polimerica. Questi due elementi possono essere immagazzinati e poi riconvertiti in energia (e acqua) secondo necessità, utilizzando la cella a combustibile. DLR ha molti anni di esperienza nella produzione di idrogeno come fonte di energia rinnovabile. Più recentemente, la produzione decentralizzata su larga scala di H2 è stata dimostrata con successo durante il progetto H2ORIZON presso il sito DLR di Lampoldshausen.
La domanda energetica di Fexhab sarà quindi soddisfatta da un sistema energetico autonomo senza emissioni di carbonio composto da pannelli solari, elettrolizzatore a idrogeno, cella a combustibile e batterie. Il sistema, sebbene costruito prevalentemente con soluzioni terrestri, potrà essere facilmente adattato alla Luna.
LUNA: un progetto in evoluzione
La struttura denominata LUNA verrà combinata con il FlexHab e comprenderà un grande banco di prova per la regolite in un'area contenuta all'interno di una grande struttura che in precedenza doveva avere la forma di una cupola occupando un'area di 700 mq ma che ora col nuovo progetto sarà un semplice capannone rettangolare. Questo ambiente chiuso sarà posizionato tra la struttura EAC e l'edificio DLR EnviHab entrambi situati in Germania e precisamente nella città di Colonia.
La struttura racchiuderà uno stage di prova delle varie attività che potranno essere compiute sulla superficie lunare.
La data di costruzione è stata spostata molte volte sia per problemi di budget, sia di progettazione e poi per l'epidemia di Covid-19. Adesso è prevista per il secondo trimestre del 2023/2024.
Sono state prelevate circa 600 tonnellate, che simulano la regolite lunare, dalla locale regione vulcanica dell'Eifel. Il materiale, noto come simulante della regolite dell'Eifel EAC-1, è dimostrato essere una corrispondenza ragionevolmente vicina dal punto di vista compositivo a quella dei campioni basaltici raccolti durante le missioni Apollo.
All'interno ci sarà un sistema di gru per consentire lo spostamento delle attrezzature sulla regolite stessa. È anche possibile che, nella fase futura di sviluppo di LUNA, la struttura venga fornita da un sistema a carro ponte, come il NASA Argos, capace di simulare gli ambienti a gravità ridotta.
Il sistema a portale supporterà telecamere, sensori nonché collegamenti elettrici e dati.
La superficie del tetto dovrebbe essere opaca e verrà fornita un'illuminazione direzionale che potrà essere spostata all'interno a seconda dei vari scenari.
Ciò consentirà una certa fedeltà per la simulazione di condizioni di scarsa illuminazione rappresentative delle regioni polari della Luna ed altri luoghi poco illuminati.
La costruzione LUNA come dovrebbe apparire quando sarà realizzata. Crediti: ESA
Il banco di prova della regolite, composto dal simulante EAC-1, disporrà anche di aree test più piccole (3x3m) che potranno ospitare diverse varietà di regolite, compreso materiale con un contenuto significativo di frazioni di polvere.
Queste aree permetteranno scenari più specifici da effettuare all'interno della struttura per mitigare la polvere dalle attrezzature e dalle tute dei futuri astronauti.
Un modulo di connessione con camera di equilibrio consentirà il passaggio dalla LUNA al modulo FLEXhub fornendo dei corretti esperimenti di come evitare o pulire gli oggetti da un ambiente all'altro.
LUNA consentirà la simulazione delle condizioni di illuminazione durante un ciclo lunare giorno-notte così come diverse posizioni sulla superficie lunare, concentrandosi inizialmente sulle caratteristiche delle aree polari. Ulteriori sale preparatorie, infrastrutture di supporto e un laboratorio, porteranno l'intera area della struttura a circa 1000 m2.
LUNA fornirà un prezioso banco prova e un luogo di ricerca per una vasta gamma di attività:
- simulazione di addestramento ed esplorazione degli astronauti, in particolare per la collaborazione tra squadre sulla superficie lunare e squadre a terra;
- simulazione, verifica e operazioni di sistemi robotici;
- interazioni uomo-macchina, comprese attività scientifiche, creazione e manutenzione di infrastrutture, nonché processi operativi e procedure di emergenza;
- applicazioni di realtà virtuale (VR) e realtà aumentata (AR);
- ricerca e sviluppo di materiali, strumenti e processi produttivi, compresi l'utilizzo della polvere lunare e l'uso di materie prime locali sulla Luna noti come utilizzo in loco delle risorse (ISRU, In-Situ Resource Utilisation) e
- sistemi energetici rigenerativi.
Futuro Europeo
L'ambizione europea è quella di addestrare al centro LUNA di Colonia tutti i futuri astronauti diretti alla Luna, fornendo la possibilità di simulazioni complete di missioni lunari a terra in un ambiente pertinente con gli strumenti reali ed il supporto operazionale. LUNA beneficerà anche della vicinanza alle strutture e alle competenze del Centro Astronauti Europeo dell'ESA e degli istituti di ricerca DLR, come l'Istituto di Operazioni Spaziali e Addestramento Astronauti con la sua esperienza nell'utilizzo di satelliti e moduli nello spazio e l'Istituto di Medicina Aerospaziale, tra cui la sua struttura :envihab, che lo rende un luogo adatto a preparare gli umani ad esplorare nello spazio profondo.
"Il Centro Astronauti Europeo, insieme al suo gruppo integrato composto da personale DLR, CNES e ASI, offre attualmente l'addestramento per astronauti della Stazione Spaziale Internazionale, nonché addestramento in analoghi di missione sia in terreni che sott'acqua. LUNA colmerà il divario tra la stazione spaziale e l'addestramento analogo esistente per prepararsi a sfide lunari eccezionali come le capacità di trasporto, la mobilità sulla superficie, le configurazioni per le comunicazioni e l'autonomia, e l'ambiente ostile dovuto alla polvere sulla Luna," spiega Juergen Schlutz, responsabile del progetto dell'ESA.
L'ESA è partner del programma Artemis della NASA e la sua struttura LUNA sarà di grande interesse anche per molti partner commerciali e internazionali mentre si preparano alle missioni lunari con equipaggio. Di conseguenza, è progettato per essere un centro aperto a ricercatori e sviluppatori da tutto il mondo.
GOOGLENEWS
