Nel prossimo futuro, la NASA, l'Agenzia spaziale europea (ESA), la Cina e Roscosmos organizzeranno tutte missioni con equipaggio sulla luna. Questo costituirà la prima volta che gli astronauti hanno camminato sulla superficie lunare dall'era Apollo. Ma a differenza della "corsa alla luna", l'obiettivo di questi programmi non è quello di arrivare prima e lasciare dietro di sé solo pochi esperimenti e lander (cioè le missioni "orme e bandiere"), ma stabilire una presenza umana prolungata sul superficie lunare. Ciò significa creare habitat in superficie e in orbita che possono essere utilizzati da equipaggi a rotazione.

Sebbene la NASA e altre agenzie spaziali intendano sfruttare il più possibile le risorse locali, un processo noto come utilizzo delle risorse in situ (ISRU), la creazione di basi lunari richiederà comunque la spedizione di molti materiali e macchinari dalla Terra. In uno studio recente, Philip Metzger e Greg Autry hanno esaminato il costo e il consumo di energia della costruzione di piattaforme di atterraggio sulla superficie lunare. Dopo aver considerato vari metodi di costruzione, hanno stabilito che una combinazione di produzione additiva e infusione di polimeri era il mezzo più efficiente ed economico.

Philip Metzger è uno scienziato associato del Florida Space Institute (FSI) presso l'Università della Florida centrale (UCF), un ex fisico ricercatore senior presso il Kennedy Space Center (KSC) della NASA e co-fondatore del KSC Swamp Works. Greg Autry è professore clinico di Space Leadership, Policy e Business presso la Thunderbird School of Global Management presso l'Arizona State University (ASU) e il presidente del COMSTAC (Commercial Space Transportation Advisory Committee) Safety Working Group presso la Federal Aviation Administration ( FAA).

Per il loro studio, Metzger e Autry hanno esaminato diversi metodi per costruire piattaforme di atterraggio sulla superficie lunare. Ciascun metodo è stato valutato in base a tre fattori principali:la necessità di spedire grandi quantità di massa dalla Terra, il livello di consumo di energia sulla superficie lunare e il tempo necessario per completare la costruzione. Ognuno di questi fattori contribuisce (direttamente o indirettamente) al costo complessivo delle attività lunari.

Tra le loro scoperte, Metzger e Autry hanno determinato che due variabili sono le più importanti nella valutazione dei metodi di costruzione nello spazio:i costi di trasporto ei ritardi imposti dal processo di costruzione. Come ha spiegato Metzger a Universe Today via e-mail:

"Sono rimasto sorpreso dal fatto che la complessità e l'affidabilità del processo di costruzione non abbiano giocato un ruolo più importante. Un sistema complesso avrà bisogno di circa il 50% in più di investimento iniziale per renderlo affidabile come i metodi più semplici e un aumento dei costi del 50% suona come molti, ma rispetto al costo del trasporto lunare e alla perdita di valore se si ritarda a fare le cose sulla luna, si scopre che il 50% in più di costi di sviluppo è assolutamente irrilevante.

"Quindi, se inventi un metodo più complesso per fare le cose, e quel metodo è più veloce e di massa inferiore rispetto ai metodi precedenti, allora ne vale la pena. Questo va contro la nostra naturale tendenza come tecnologi spaziali. Pensiamo che mantenere le cose più semplici sia meglio, e pensiamo che quando operiamo lontano sulla luna, sia ancora più importante mantenere le cose semplici. Ma quando lo guardiamo da una prospettiva economica, quella sensazione non si rivela vera. Nell'ambiente economico lunare operazioni, una tecnologia più elevata vale il maggiore investimento iniziale."

Hanno inoltre scoperto che lo spessore dei pad, l'ambiente termico (che varia tra il pad interno ed esterno) e la cadenza di lancio del programma lunare erano anche fattori importanti per stabilire limiti pratici sui tempi di costruzione. In breve, l'economicità di ciascun metodo si riduce al costo per chilogrammo di lancio dei carichi utili e alla velocità di costruzione. Ne hanno presi in considerazione diversi in base al fabbisogno energetico e al modo in cui questo sarebbe variato a seconda dell'ambiente termico.

In particolare, hanno preso in considerazione le recenti innovazioni nella produzione additiva (stampa 3D) e nell'ISRU, che da molti anni sono oggetto di ricerca da parte della NASA e dell'ESA. Quando si adattano alla superficie lunare, i metodi includono il riscaldamento della regolite con le microonde per creare una ceramica fusa (nota anche come "sinterizzazione") che viene quindi stampata e solidifica al contatto con l'ambiente lunare senz'aria, o l'aggiunta di un agente legante alla regolite (come il cemento o un polimero) per modellare "lunarcrete".

"Alcuni metodi richiedono enormi quantità di energia, il che richiede sistemi energetici pesanti sulla luna. Altri metodi richiedono molte tonnellate di legante portati dalla Terra con grandi spese. Tuttavia, altri sono processi molto, molto lenti. Volevamo vedere come questi diversi fattori confrontarsi tra loro quando lo guardiamo da una prospettiva economica.

"Abbiamo convertito tutto in un costo reale:il costo del trasporto di massa dalla Terra; il costo dell'energia consegnata sulla luna; la perdita di valore economico se impieghiamo molto tempo a costruire. Mettendo tutto insieme, potremmo vedere quale costruzione i metodi forniscono il miglior valore alle operazioni lunari."

Hanno scoperto che la sinterizzazione a microonde forniva la migliore combinazione di massa ridotta e alta velocità rispetto ad altri metodi. Ciò era particolarmente vero per la costruzione della zona interna ad alta temperatura della piattaforma di atterraggio lunare (dove si verificano le ustioni del razzo di decollo e atterraggio). Questo metodo è anche il più favorevole per costruire la zona esterna a bassa temperatura se e quando i costi di trasporto sono elevati.

Tuttavia, nel caso in cui i costi di trasporto sulla faccia lunare possano essere mantenuti a $ 110 per kg (circa $ 50 per libbra), il metodo più conveniente è passato all'infusione di polimeri. Hanno anche prodotto stime sul costo complessivo della costruzione del campo base di Artemis (229 milioni di dollari), l'habitat di superficie che la NASA intende costruire attorno al bacino del Polo Sud-Aitken. Questi erano basati sull'avvertenza che i costi di trasporto scenderanno dal loro tasso attuale di $ 1 milione per kg ($ 454.545 per libbra) a $ 300.000 per kg (~ $ 136.360 per libbra).

Metzger ha dichiarato:"Abbiamo scoperto che il costo della costruzione di una piattaforma di atterraggio durante il programma Artemis della NASA è abbastanza abbordabile, all'incirca lo stesso costo di un veicolo spaziale di classe Discovery della NASA ($ 300 milioni). Questo è un costo minimo rispetto a molti altri elementi di un programma di volo spaziale umano. Per quel costo, il programma creerà la prima struttura permanente costruita su un altro mondo e consegnerà anche i robot da costruzione sulla luna, in modo che possano iniziare a svolgere altre attività come la costruzione di habitat umani."

Queste stime scendono a $ 130 milioni se i costi di trasporto potessero essere ulteriormente ridotti a $ 100.000 per kg ($ 45.455 per libbra) oa $ 47 milioni se scendono al di sotto di $ 10.000 per kg ($ 4.545 per libbra). Alla fine, Metzger e Autry hanno dimostrato che una base lunare potrebbe essere costruita in modo conveniente e il prezzo dipenderà dalla misura in cui i costi di lancio continueranno a diminuire nei prossimi anni. Questi risultati sono di particolare importanza dato il numero di agenzie spaziali che cercano di costruire avamposti nel bacino del Polo Sud-Aitken in questo decennio e nel prossimo.

Oltre all'Artemis Base Camp, l'ESA prevede di creare una base permanente nota come International Moon Village. Come successore spirituale della Stazione Spaziale Internazionale (ISS), questa base ospiterebbe equipaggi rotanti di astronauti, soggiorni di lunga durata e operazioni scientifiche sulla luna. Non molto tempo fa, i rappresentanti dei programmi spaziali cinese e russo si sono riuniti per annunciare una visione condivisa per una base lunare:la International Lunar Research Station (ILRS).

In previsione della prossima era dell'esplorazione lunare, la NASA e altre agenzie spaziali continuano a ricercare tecnologie che consentiranno una costruzione conveniente sulla luna. Ciò include un processo di produzione ISRU noto come Regolith Adaptive Modification System (RAM) sperimentato dai ricercatori della Texas A&M University. Questo processo si concentra sulla fornitura di un'infrastruttura in fase iniziale che faciliterebbe il trasporto di apparecchiature di sinterizzazione o polimerizzazione.

C'è anche un concetto di lander lunare in fase di sviluppo da parte di Masten Space Systems con il supporto di Institute for Advanced Concepts (NIAC), Honeybee Robotics, Texas A&M e University of Central Florida (UCF). Questo concetto incorpora un processo noto come tecnica di spruzzatura dell'allumina in volo (FAST), in cui un lander inietta particelle di alluminio nei suoi ugelli del propulsore di atterraggio per modellare la propria piattaforma di atterraggio, che mitiga anche il problema della polvere lunare sollevata.

In questo decennio e nel prossimo, l'umanità tornerà sulla luna, questa volta per restare. Non solo più agenzie spaziali invieranno astronauti, ma verranno arruolati partner commerciali per fornire servizi di carico utile e trasporto dell'equipaggio. I turisti lunari e persino i coloni potrebbero eventualmente seguire, portando a una presenza umana permanente e alla prima generazione di "Lunites" (o "Loonies").

Questo sforzo multinazionale sta promuovendo l'innovazione in più settori e sta portando ad applicazioni per la vita qui sulla Terra. Dopotutto, se vogliamo garantire che gli esseri umani possano superare il problema ecologico che dobbiamo affrontare sulla Terra e vivere nello spazio, è necessario essere inventivi.