Entro la fine di questo decennio, la NASA prevede di riportare gli astronauti sulla Luna per la prima volta dall’era Apollo. Ma questa volta, attraverso il programma Artemis, non si tratterà di "impronte e bandiere".
Con altre agenzie spaziali e partner commerciali, l’obiettivo a lungo termine è quello di creare l’infrastruttura che consentirà un “programma sostenuto di esplorazione e sviluppo lunare”. Se tutto andrà secondo i piani, diverse agenzie spaziali stabiliranno basi attorno al bacino del Polo Sud-Aitken, il che aprirà la strada alle industrie lunari e al turismo.
Affinché gli esseri umani possano vivere, lavorare e svolgere varie attività sulla Luna, sono necessarie strategie per affrontare tutti i pericoli, non ultimo la regolite lunare (o "polvere lunare"). Come hanno appreso gli astronauti dell'Apollo, la polvere lunare è frastagliata, si attacca a tutto e può causare un'usura significativa delle tute, delle attrezzature, dei veicoli e della salute degli astronauti.
In un nuovo studio condotto da un team di ingegneri della Texas A&M, la regolite rappresenta anche un pericolo di collisione quando viene sollevata dai pennacchi di razzi. Considerati i numerosi veicoli spaziali e lander che nel prossimo futuro trasporteranno equipaggi e carichi sulla Luna, questo è un rischio che merita molta attenzione.
Lo studio è stato condotto da Shah Akib Sarwar e Zohaib Hasnain, un Ph.D. Studente e professore assistente (rispettivamente) presso il Dipartimento di ingegneria meccanica J. Mike Walker '66 della Texas A&M University. Per il loro studio, Sarwar e Hasnain hanno studiato le collisioni particella-particella per la regolite lunare utilizzando il metodo della "sfera morbida", in cui le equazioni del movimento di Newton e un modello di forza di contatto sono integrati per studiare come le particelle si scontrano e si sovrappongono.
Ciò lo distingue dal metodo della "sfera dura", che modella le particelle nel contesto di fluidi e solidi.
Mentre la regolite lunare spazia da minuscole particelle a grandi rocce, il componente principale della "polvere lunare" sono minerali fini e silicati con una dimensione media di 70 micron. Questi si sono formati nel corso di miliardi di anni quando la superficie senz'aria della luna è stata colpita da meteore e asteroidi che hanno ridotto gran parte della crosta lunare in una polvere fine.
L'assenza di un'atmosfera significava anche che l'erosione da parte del vento e dell'acqua (comune qui sulla Terra) era assente. Infine, la costante esposizione al vento solare ha lasciato la regolite lunare carica elettrostaticamente, il che significa che aderisce a tutto ciò che tocca.
Quando gli astronauti dell'Apollo si avventurarono sulla Luna, riferirono di aver avuto problemi con la regolite che si attaccava alle loro tute e veniva rintracciata nei loro moduli lunari. Una volta all'interno dei veicoli, aderiva a qualsiasi cosa e diventava pericoloso per la salute, provocando irritazioni agli occhi e difficoltà respiratorie.
Ma con le missioni Artemis all'orizzonte e le infrastrutture pianificate che comporteranno, c'è il problema di come i veicoli spaziali (durante il decollo e l'atterraggio) faranno sì che la regolite venga sollevata in grandi quantità e accelerata ad alte velocità.
Come Sarwar ha riferito a Universe Today via e-mail, questo è uno dei motivi principali per cui la regolite lunare costituirà una sfida importante per le normali attività umane sulla Luna:
"Durante un atterraggio morbido retropropulsivo sulla Luna, i pennacchi di scarico dei razzi supersonici/ipersonici possono espellere una grande quantità (108-1015 particelle/m 3 visto nelle missioni Apollo) di regolite sciolta proveniente dallo strato superiore del suolo."
"A causa delle forze generate dal pennacchio - trascinamento, sollevamento, ecc. - i materiali espulsi possono viaggiare a velocità molto elevate (fino a 2 km/s). Lo spruzzo può danneggiare la navicella spaziale e le apparecchiature vicine. Può anche bloccare la vista del area di atterraggio, disturbare i sensori, intasare gli elementi meccanici e degradare le superfici ottiche o i pannelli solari attraverso la contaminazione."
I dati acquisiti dalle missioni Apollo servirono come pietra di paragone per Sarwar e Hasnain, compreso il modo in cui i gas di scarico del pennacchio di scarico del modulo lunare (LM) dell'Apollo 12 danneggiarono la navicella spaziale Surveyor 3, situata a 160 metri (525 piedi) di distanza. Questo veicolo senza equipaggio era stato inviato per esplorare la regione del Mare Cognitum nel 1967 e caratterizzare il suolo lunare prima delle missioni con equipaggio.
Il Surveyor 3 fu utilizzato anche come sito di atterraggio per l'Apollo 12 e fu visitato dagli astronauti Pete Conrad e Alan Bean nel novembre 1969.
Il danno fu mitigato dal fatto che il Surveyor 3 si trovava in un cratere sotto il luogo di atterraggio dell'Apollo 12 LM. Un altro esempio è la missione Apollo 15 che sbarcò nella regione dell'Appennino Hadley nel 1971. Durante la discesa della LM, gli astronauti David R. Scott e James B. Irwin non poterono vedere il sito di atterraggio perché il loro pennacchio di scarico aveva creato una spessa nuvola di regolite sopra.
Ciò ha costretto l'equipaggio a selezionare un nuovo sito di atterraggio sul bordo del Béla, un cratere allungato a est della regione. Il modulo lunare non è riuscito a raggiungere una posizione equilibrata in questo sito e si è inclinato all'indietro di 11 gradi prima di stabilizzarsi.
La ricerca condotta dopo che queste missioni hanno avuto luogo ha portato alla conclusione che le collisioni tra le particelle di regolite probabilmente hanno causato la dispersione. Come indicato da Sarwar, questi esempi illustrano come la regolite disturbata possa diventare un pericolo, specialmente dove altri veicoli spaziali e strutture sono posizionati nelle vicinanze:
"I due esempi precedenti dell'era Apollo non erano abbastanza gravi da mettere a repentaglio il successo della missione. Ma le future missioni Artemis (e CLPS) avranno luogo sul polo sud lunare, dove si presume che il suolo sia significativamente più poroso/debole rispetto a quello equatoriale. e regioni di sbarco Apollo a media latitudine."
"Inoltre, si prevede che i lander Artemis forniranno carichi utili molto più grandi rispetto all'Apollo e quindi richiederanno più spinta per rallentare. Di conseguenza, possono verificarsi crateri profondi (non visti in Apollo) a causa dei pennacchi di scarico dei razzi e far esplodere la regolite ad angoli molto più alti rispetto a quelli visti in precedenza (~1-3 gradi sopra il suolo)."
In conformità con gli obiettivi a lungo termine del programma Artemis, la NASA prevede di costruire infrastrutture attorno alla regione polare meridionale per consentire un “programma sostenuto di esplorazione e sviluppo lunare”. Ciò include il campo base Artemis, costituito da un habitat sulla superficie delle fondamenta, una piattaforma di mobilità abitabile, un veicolo terrestre lunare (LTV) e il Lunar Gateway in orbita.
"Pertanto, proteggere gli esseri umani, le strutture o i veicoli spaziali vicini dai pericoli delle particelle di regolite lunare è di fondamentale importanza", ha affermato Sarwar.
Ricerche simili hanno dimostrato come le nubi di regolite causate dall’atterraggio e dal decollo potrebbero anche rappresentare un pericolo per il funzionamento sicuro del Lunar Gateway e degli orbitanti lunari. Queste minacce hanno spinto a condurre ricerche approfondite su come mitigare la polvere lunare durante le missioni future. Come notato, Sarwar e Hasnain hanno utilizzato il metodo della sfera morbida per valutare i rischi posti dalle collisioni particella-particella:
"In questo metodo, le particelle adiacenti possono sovrapporsi l'una all'altra di una piccola quantità, che viene presa come misura indiretta della deformazione prevista in una reale collisione particella-particella. Questo valore di sovrapposizione, insieme alle proprietà materiali rilevanti della regolite lunare, viene quindi utilizzato in una rappresentazione del cursore di attrito molla-dashpot per calcolare le forze in ogni evento di collisione. L'anelasticità coinvolta in una collisione varia da completamente anelastica a altamente elastica."
"I nostri risultati rivelano che le collisioni altamente elastiche tra grani di regolite relativamente grandi (~ 100 micron) causano l'espulsione di una parte significativa di essi ad angoli ampi (alcuni possono volare via a ~ 90 gradi). Il resto dei grani, tuttavia, è contenuto in una regione ad angolo piccolo (<3 gradi) lungo il terreno, che è in linea con lo strato di regolite visibile osservato durante le missioni Apollo."
In termini di salvaguardia, Sarwar e Hasnain suggeriscono che i terrapieni o le recinzioni attorno a una zona di atterraggio sono un modo per mitigare gli spruzzi di materiale espulso. Tuttavia, come suggerisce la loro ricerca, una certa percentuale di particelle di regolite può disperdersi ad angoli ampi a causa di collisioni, rendendo le berne o le recinzioni insufficienti.
"Una soluzione migliore per le future missioni Artemis sarebbe quella di costruire una piattaforma di atterraggio", ha affermato Sarwar. "A questo proposito, un team multi-organizzazione con personale proveniente sia dal mondo accademico (incluso il dottor Hasnain) che dall'industria sta lavorando allo sviluppo della tecnica di spruzzatura dell'allumina in volo, o piattaforme di atterraggio FAST."
Il metodo FAST prevede lander lunari dotati di particelle di allumina che verranno espulse durante le manovre di atterraggio. Vengono poi liquefatti dai pennacchi del motore per creare alluminio fuso sulla superficie lunare, che si raffredda e si solidifica per creare una superficie di atterraggio stabile. La NASA ha anche studiato come costruire piattaforme di atterraggio utilizzando la tecnologia di sinterizzazione, in cui la regolite viene fatta esplodere con microonde per creare ceramiche fuse che si induriscono al contatto con lo spazio.
Un'altra idea è quella di costruire piattaforme di atterraggio con pareti anti-esplosione per contenere la regolite espulsa, che la società di costruzioni ICON con sede in Texas ha incluso nel suo concetto di habitat per la Lanterna Lunare.
Purtroppo, le indagini sperimentali sulla regolite lunare sono molto difficili perché le condizioni lunari sono molto diverse da quelle sulla Terra. Ciò include la gravità inferiore (circa il 16,5% di quella terrestre), l’ambiente del vuoto e le variazioni estreme di temperatura. Ecco perché i ricercatori sono costretti a fare molto affidamento sulla modellazione numerica, che tipicamente si concentra sulle forze dei pennacchi e ignora in gran parte il ruolo delle collisioni delle particelle. Ma come ha osservato Sanwar, la loro ricerca offre informazioni preziose e illustra perché è importante considerare questo fenomeno spesso trascurato quando si pianificano le future missioni lunari:
"[Tuttavia,] la nostra ricerca sulle collisioni di particelle ha dimostrato che questo è un fenomeno molto importante da considerare per una previsione accurata della traiettoria della regolite e, pertanto, deve essere incluso. Rimangono ancora molte sfide in quest'area, come la mancanza di conoscenze sul coefficiente di restituzione delle particelle di regolite (che determina la perdita di energia in una collisione), effetti della distribuzione delle dimensioni della regolite, implicazioni dei pennacchi turbolenti, ecc.."
"Speriamo di chiarire alcune di queste incertezze in futuro e di contribuire a un modello PSI lunare più completo per atterraggi lunari di Artemis più sicuri."
I risultati sono pubblicati su Acta Astronautica .
Ulteriori informazioni: Shah Akib Sarwar et al, Indagine sugli effetti delle collisioni sulle particelle di suolo lunare espulse sotto i pennacchi dei razzi, Acta Astronautica (2024). DOI:10.1016/j.actaastro.2024.02.014
Fornito da Universe Today
