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Galleria Moon Camp Pioneers 2021-2022

In Moon Camp Pioneers la missione di ogni squadra consiste nel progettare in 3D un campo lunare completo utilizzando Fusion 360. Devono anche spiegare come utilizzeranno le risorse locali, proteggeranno gli astronauti dai pericoli dello spazio e descriveranno le strutture abitative e lavorative.

Team: Moon Croissant

Liceo Joffre  Montpellier    Francia 16, 15   4 / 0


Visualizzatore esterno per progetto 3d

Descrizione del progetto

La nostra base Cartier I tenta di presentare un modello accurato per un insediamento lunare realistico. Il primo passo nel nostro approccio a questa sfida è stato quello di elencare tutti i problemi che avrebbero dovuto essere risolti. Abbiamo individuato i seguenti: costruzione, ubicazione, esigenze vitali (cibo, acqua, aria), energia, sicurezza (radiazioni, calore, carenze sanitarie) e utilità. Ciò che contraddistingue la nostra soluzione è l'elevata estensibilità, la facilità di installazione e l'autonomia che Cartier I avrebbe.

La prima spedizione sarebbe stata guidata da quattro astronauti, che avrebbero portato con sé tutte le risorse di costruzione.

  • Durante la fase di assestamento (2-4 settimane per le strutture principali, 6-8 settimane per l'autonomia alimentare), gli astronauti costruiranno la base (spiegata più avanti) e allestiranno le infrastrutture principali come l'estrazione dell'acqua e la generazione di energia.
  • Una volta che i pionieri si sono insediati e la base è autonoma, si possono effettuare altre operazioni per espandere ulteriormente la base, che potrebbe diventare un insediamento su larga scala abitato da una dozzina di astronauti alla volta, dato che i moduli sono progettati appositamente per facilitare l'espansione.

Abbiamo creato un modello CAD che schematizza lo schema di base del nostro campo lunare; è composto dai quattro moduli abitabili e dalla maggior parte delle infrastrutture esterne (estrazione/stoccaggio dell'acqua e produzione di energia) che Cartier I che avrebbe avuto durante la 1ª spedizione. Gli schemi che seguono illustrano in dettaglio la configurazione della base e di tutti i singoli moduli, nonché i sistemi di generazione dell'acqua e dell'elettricità.

2.1 Dove volete costruire il vostro Moon Camp?

Abbiamo deciso di collocare l'insediamento direttamente sul fondo di un cratere, le cui pareti fungerebbero da efficace schermo solare (questo elimina anche la sfida del trasporto del ghiaccio). Per quanto riguarda la scelta del cratere, devono essere soddisfatti molti criteri: ombra perpetua sul fondo, illuminazione forte e frequente sul bordo e buone concentrazioni di ghiaccio d'acqua. Altri vantaggi potrebbero essere le dimensioni del cratere (che influenzano il tempo di percorrenza), la sua vicinanza ad altri siti di interesse e il suo orientamento verso regioni dello spazio potenzialmente inesplorate.

Secondo i dati della spedizione Chandrayaan-1, l'acqua è maggiormente presente intorno ai poli lunari, che è quindi il luogo in cui è più probabile che si trovi la nostra base. La mancanza di dati precisi per crateri specifici ci impedisce di dare una risposta definitiva, ma i potenziali candidati includono il cratere Shackleton (con picchi illuminati per ~94% dell'anno), il cratere Whipple (con uno spesso strato di ghiaccio previsto) o il cratere Peary (che è piuttosto superficiale).

2.2 Come pensate di costruire il vostro campo lunare? Descrivete le tecniche, i materiali e le vostre scelte progettuali.

Abbiamo intenzione di utilizzare lo scafo del razzo come scheletro principale della base. Una volta raggiunto l'orbita lunare, il razzo si smonterà in quattro sezioni che atterreranno in modo indipendente. Queste quattro sezioni cilindriche costituiranno i quattro moduli abitativi di cui gli astronauti avranno bisogno per questa prima spedizione: un modulo abitativo, un modulo comune (e sportivo), un modulo serra e un modulo di ricerca (vedi schemi sotto).

Poiché l'afflusso di calore per irraggiamento può essere ignorato, l'unico isolamento termico necessario è quello per la perdita di calore dovuta all'irraggiamento (dalla base - verso l'esterno) e alla conduzione attraverso il terreno. Questo può essere fatto utilizzando un isolamento multistrato - con Kapton o Mylar - per far rimbalzare le radiazioni e ispessendo la parte dello scafo a contatto con il terreno. Sono ipotizzabili anche moduli gonfiabili, a condizione che la loro base a contatto con il terreno sia anch'essa realizzata con uno spesso materiale isolante.

L'utilizzo del telaio del razzo ridurrà drasticamente i tempi di costruzione, poiché l'unica costruzione necessaria sarà quella dei collegamenti tra i moduli, delle infrastrutture esterne e degli arredi interni. Le infrastrutture saranno assemblate con parti di piccole o medie dimensioni costruite sulla Terra; la bassa gravità renderà più facile il trasporto delle parti più grandi.

Poco dopo l'arrivo, la squadra si recherà all'esterno del cratere per installare i deflettori solari e l'antenna di comunicazione. Questa sarà una delle uniche volte in cui dovranno percorrere grandi distanze (a parte la manutenzione occasionale), poiché il campo è altrimenti compatto.

2.3 L'ambiente sulla Luna è molto pericoloso per gli astronauti. Spiegate come il vostro campo lunare li proteggerà. (massimo 150 parole)

I pericoli a cui gli astronauti potrebbero essere esposti possono essere classificati in tre categorie.

In primo luogo, le questioni ambientali: come spiegato in precedenza, le radiazioni solitamente nocive provenienti dallo spazio non raggiungeranno mai gli astronauti sul fondo del cratere, quindi questo problema può essere eliminato. I meteoriti, invece, potrebbero potenzialmente raggiungere il campo; tuttavia, rapidi calcoli (confrontati con la quantità che raggiunge l'atmosfera terrestre) mostrano che la probabilità che un meteorite danneggi un modulo o un astronauta è trascurabile.

In secondo luogo, le carenze di salute: gli astronauti sperimenteranno solo un sesto della gravità terrestre, con conseguente perdita di massa muscolare. Per ovviare a questo problema, gli astronauti si sottoporranno a un allenamento quotidiano con macchine adattate alla bassa gravità (elastici per tirare la persona verso il basso, resistenza magnetica, ecc).

Terzo, problemi tecnici o incidenti. Tutti i moduli sono sigillati da porte ermetiche e non subiranno danni in caso di rottura; parametri come la temperatura o la composizione dell'aria saranno costantemente monitorati per evitare incidenti.

2.4 Spiegate come il vostro campo lunare fornirà agli astronauti:

Acqua
Cibo
Potenza
Aria

Durante la fase di assestamento, gli astronauti faranno affidamento su una piccola riserva d'acqua portata dalla Terra. Una volta installate le infrastrutture principali, l'acqua sarà estratta dalla regolite in un processo in tre fasi.
Il primo passo è lo scavo: un rover estrae pezzi di regolite e li porta in una camera termica.
La seconda fase è l'estrazione: Utilizzando l'energia solare, la camera viene riscaldata a circa 600K, costringendo l'acqua a sublimare e ad aumentare la pressione del serbatoio.
La terza e ultima fase è il trasporto: dopo aver attraversato una turbina (vedi sezione sull'elettricità), il vapore acqueo si condensa in un sistema di tubature che porta alla cisterna dell'acqua. Un regolatore controlla la purezza dell'acqua per assicurarsi che sia potabile; se necessario, può essere ulteriormente purificata.
Per evitare sprechi, l'acqua sarà riciclata come sulla ISS: dalla traspirazione di astronauti e piante, dall'urina, dalla doccia e dallo scarico del lavandino.

Il cibo sarà prodotto nel modulo della serra (vedi schema sotto).
Gli ortaggi saranno prodotti in sistemi aeroponici e idroponici che utilizzano acqua arricchita di nutrienti (i nutrienti possono essere sintetizzati da KREEP estratto o da forniture concentrate portate dalla Terra). Nel sistema aeroponico, le radici delle piante saranno spruzzate con una nebulizzazione contenente tutti i nutrienti di cui hanno bisogno; in quello idroponico, la punta delle radici sarà immersa nella soluzione (come terreno di coltura si può usare lana di roccia o perlite). Le piante saranno scelte in base alla resa del raccolto, al tempo di crescita e al valore nutrizionale (le piante a crescita rapida includono cavolo, fagioli, lattuga, pomodori, bacche, ecc.) Cresceranno in un ambiente controllato per ricevere l'intensità/lunghezza di luce e la temperatura ideali.
La carne artificiale sarà "coltivata" immergendo le cellule staminali in un mezzo nutrizionale per creare proteine.
Altri integratori alimentari non deperibili saranno portati dalla terra in quantità sufficiente.

Durante la fase di assestamento, la base sarà alimentata da un generatore termoelettrico a radioisotopi, che sarà smaltito a distanza di sicurezza dalla base quando non sarà più necessario.
L'elettricità sarà poi prodotta insieme all'acqua in un sistema a energia solare concentrata (CSP):
Riflettori a inseguimento a doppio asse saranno posizionati sulle cime esterne del cratere e rifletteranno la luce solare verso lo stesso punto vicino al campo. La camera di riscaldamento posizionata in quel punto produrrà vapore ad alta pressione, che passerà attraverso una turbina e farà girare le sue pale; questo movimento rotatorio sarà convertito in elettricità da un generatore (spiegato in uno schema qui sotto).
In alternativa si potrebbero utilizzare anche i pannelli solari per ridurre la complessità del sistema, ma questo diminuirebbe il rendimento (solo ~20% di efficienza contro ~50% di efficienza delle turbine) e richiederebbe una superficie maggiore.

La respirazione richiede due processi essenziali: la creazione di O2 e il lavaggio della CO2. L'azoto necessario (80% di aria) può essere portato dalla Terra e non si consuma perché è un gas inerte.
L'ossigeno si ottiene attraverso l'elettrolisi dell'acqua. Applicando una differenza di tensione a due elettrodi, possiamo scindere le molecole di H20 per creare idrogeno e ossigeno (è necessario aggiungere un elettrolita per aumentare la conduttività dell'acqua). L'idrogeno può essere immagazzinato e successivamente utilizzato come combustibile per razzi.
Il lavaggio dell'anidride carbonica può essere effettuato utilizzando l'idrossido di litio (LiOH), che reagisce con la CO2 per produrre acqua, o utilizzando l'ammina magra (MEA), che assorbe la CO2 per diventare ricca di MEA (che può poi essere bollita per eliminare la CO2, rendendola nuovamente magra).
Durante la fase di assestamento e in caso di problemi con il processo di elettrolisi, verranno utilizzate candele di ossigeno per mantenere i livelli di O2 a un valore stabile di 20%.

2.5 Spiegate quale sarebbe lo scopo principale del vostro Campo Luna.

Innanzitutto, Cartier IIl suo scopo sarà scientifico. Il campo permetterà agli astronauti di condurre esperimenti e ricerche che non potrebbero essere fatti sulla Terra, come il comportamento di vari oggetti a bassa gravità o nel vuoto. Sarà anche un'occasione d'oro per analizzare in profondità la composizione della regolite nei crateri lunari. Il campo avrà anche un'importanza nel campo dell'astrofisica: il suo punto di osservazione permetterà agli astronauti di osservare stelle che non possono essere viste dalla Terra.

Il nostro campo lunare servirà anche come punto di partenza per la colonizzazione dello spazio. Infatti, le navicelle spaziali potranno fare rifornimento con l'idrogeno gassoso creato dall'elettrolisi, il che potrebbe ad esempio facilitare un viaggio su Marte.

In un futuro potenziale, la base potrebbe anche avere un obiettivo più redditizio, come la vendita di elementi di terre rare facilmente reperibili sulla Luna o lo sviluppo del turismo spaziale.

3.1 Descrivete una giornata sulla Luna per l'equipaggio del vostro Moon Camp.

Gli astronauti si svegliano alle 7:00 e hanno mezz'ora da dedicare all'igiene e agli interessi personali.

Alle 7:30, l'equipaggio condivide una colazione nel modulo abitativo, dove si mangiano sia prodotti fabbricati sulla Luna sia prodotti portati dalla Terra per mantenere una dieta equilibrata. Un gruppo di due astronauti sorveglia poi il rover mentre estrae regolite (per poi estrarne l'acqua), mentre gli altri due astronauti si occupano dell'orto installato nel modulo serra e monitorano la crescita della carne artificiale.

Alle 9:00, due astronauti lasciano la base per la manutenzione dei rover e delle infrastrutture. Questa può consistere in molteplici compiti come la pulizia di alcuni strumenti, la verifica della produttività dei generatori o il controllo dell'integrità del sistema di tubature. Gli altri due astronauti rimangono nella base per svolgere alcune mansioni che garantiscono il benessere dell'equipaggio.

Alle 10:30, tutti gli astronauti si riuniscono nel modulo comune per fare alcuni esercizi, poiché la bassa gravità sulla superficie lunare può indebolire i muscoli. Dopo un'ora di allenamento e trenta minuti di riposo, pranzano e possono gustare il cibo prodotto nella base.

Alle 13:00, l'equipaggio esce dal campo per osservare le stelle, ben visibili grazie all'assenza di inquinamento luminoso. Le osservazioni saranno poi inviate a Terra dove gli scienziati potranno analizzarle più approfonditamente. Durante il resto del "pomeriggio", gli astronauti raccolgono campioni di regolite e ne analizzano la composizione nel modulo di ricerca, per verificare parametri come la concentrazione di acqua e condurre vari altri esperimenti. Anche questi risultati vengono inviati a Terra intorno alle 18:30, dopodiché gli astronauti hanno del tempo libero per riposare.

Alle 19:00, l'equipaggio si riunisce nel modulo di soggiorno e prepara il programma del giorno successivo. Poi cenano alle 20:00 e hanno un'ora di tempo libero, durante la quale di solito giocano a carte, ascoltano bella musica o leggono libri. Questo tempo libero è essenziale per garantire il loro benessere mentale e ridurre lo stress che si accumula quando si vive nello spazio.

Il resto della serata è poi dedicato all'igiene e agli scambi con la Terra. Gli astronauti vanno a letto intorno alle 22:30 per dormire una notte intera, sognando l'immensità dello spazio e le possibilità che il domani riserva.

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