Per citare l’amministratore associato della NASA Jim Reuter, l’invio di missioni con equipaggio su Marte entro il 2040 è un “obiettivo audace”. Le sfide includono la distanza da percorrere, che può richiedere fino a sei mesi per essere percorsa utilizzando i metodi di propulsione convenzionali. Poi c'è il pericolo rappresentato dalle radiazioni, che include una maggiore esposizione a particelle solari, brillamenti e raggi cosmici galattici (GCR). E poi c'è il tempo che gli equipaggi trascorrono in condizioni di microgravità durante i transiti, il che può mettere a dura prova la salute, la fisiologia e la psicologia umana.
Ma che dire delle sfide legate al vivere e lavorare su Marte per diversi mesi consecutivi? Mentre le radiazioni elevate e la gravità inferiore sono una preoccupazione, lo è anche la regolite marziana. Come la regolite lunare, la polvere su Marte aderirà alle tute spaziali degli astronauti e infliggerà usura alla loro attrezzatura. Contiene però anche particelle nocive che devono essere rimosse per evitare di contaminare gli habitat. In uno studio recente, un team di ingegneri aerospaziali ha testato un nuovo sistema elettrostatico per rimuovere la regolite marziana dalle tute spaziali che potrebbe potenzialmente rimuovere la polvere dannosa con un'efficienza fino al 98%.
Il nuovo sistema è stato progettato da Benjamin M. Griggs e Lucinda Berthoud, uno studente di ingegneria del Master e professore di Ingegneria dei Sistemi Spaziali (rispettivamente) presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell'Università di Bristol, Regno Unito. Il documento che descrive il sistema e il processo di verifica è stato recentemente pubblicato sulla rivista Acta Astronautica . Come spiegano, il sistema di rimozione elettrostatica (ERS) da loro proposto utilizza il fenomeno della dielettroforesi (DEP) per rimuovere la polvere marziana dai tessuti delle tute spaziali.
Proprio come la sua controparte lunare, si prevede che la regolite marziana sia caricata elettrostaticamente a causa dell’esposizione alle radiazioni cosmiche. Ma su Marte c'è anche il contributo dei diavoli di polvere e delle tempeste, che sono noti per generare scariche elettrostatiche (ovvero i fulmini). Durante le missioni Apollo, gli astronauti riferirono di come la regolite lunare avrebbe aderito alle loro tute e sarebbe stata rintracciata nei loro moduli lunari. Una volta dentro, si attaccherebbe a qualsiasi cosa e penetrerebbe negli occhi e nei polmoni, causando irritazione e problemi respiratori.
Considerati i piani per riportare gli astronauti sulla Luna attraverso il programma Artemis, la NASA sta studiando diversi metodi per impedire alla regolite di entrare nei moduli abitativi, come la tecnologia di rivestimento per le tute spaziali e i fasci di elettroni per pulirli. Anche se si prevede che la polvere marziana possa causare un’usura simile alle tute spaziali, la situazione è ulteriormente peggiorata perché potrebbe contenere particelle tossiche. Come ha spiegato Griggs a Universe Today via email:
"Oltre ad avere un effetto abrasivo sulle tute spaziali stesse, si prevede che la regolite marziana presenti anche problemi di salute agli astronauti. È noto che contiene una serie di particelle nocive che possono essere cancerogene o causare problemi respiratori, e i dati della missione Pathfinder hanno mostrato la presenza di particelle tossiche come il cromo richiederà quindi la rimozione dalle tute spaziali prima dell'ingresso nelle zone abitate su Marte per impedire il contatto tra gli astronauti e le particelle di regolite."
Il principio alla base del dispositivo, la dielettroforesi (DEP), si riferisce al movimento di particelle neutre quando sottoposte a un campo elettrico non uniforme. Il sistema di rimozione elettrostatica (ERS) proposto comprende due componenti:un generatore di forme d'onda ad alta tensione (HVWG) utilizzato per produrre onde quadre di frequenze e ampiezze variabili fino a 1000 volt e un dispositivo di rimozione elettrostatica (ERD) costituito da una serie di elettrodi di rame paralleli . Quando le onde quadre vengono applicate attraverso gli elettrodi nell'ERD, viene generato un campo elettrico ampio e variabile. Come ha riassunto Griggs:
"Pertanto, quando le particelle di polvere incidono sulla superficie dell'ERD, vengono spostate attraverso una combinazione di forze elettrostatiche e dielettroforetiche (a causa del grande campo elettrico), che agiscono rispettivamente sulle particelle cariche e non cariche all'interno della polvere. Questo agisce per spostare le particelle di polvere in una direzione perpendicolare agli elettrodi, con conseguente pulizia della superficie ERD."
Per valutare le prestazioni del sistema proposto, Griggs e il prof. Berthoud hanno sviluppato un esperimento per indagare su diverse variabili chiave. Ciò includeva la frequenza e l'ampiezza delle onde quadre, la spaziatura tra gli elettrodi, l'inclinazione della superficie dell'ERD, la distanza tra gli elettrodi e lo strato di polvere e il materiale della superficie da cui viene rimossa la polvere. Il primo passo è stato produrre modelli analitici, un compito estremamente complesso per questo sistema, e i modelli numerici precedenti non erano particolarmente utili.
"Per questo lavoro, è stato quindi derivato un modello più semplice utilizzando la legge di Couloumb e la legge della dielettroforesi per una previsione preliminare dell'effetto di parametri tra cui l'ampiezza dell'onda quadra, la spaziatura degli elettrodi e la separazione polvere-elettrodo (la distanza effettiva tra gli elettrodi e le particelle di polvere che agiscono per rimuovere) sulle prestazioni del sistema", ha affermato Griggs. Il passo successivo è stato quello di preparare un esperimento che quantificasse le prestazioni e il comportamento ottimali del sistema proposto e ne misurasse gli effetti. Come ha descritto Griggs:
"Sono stati sviluppati due parametri per quantificare e confrontare le prestazioni del sistema durante i test:prestazioni di pulizia (% della superficie pulita non conteneva particelle di polvere) e tasso di pulizia (un tasso di pulizia normalizzato basato sul tempo impiegato per passare da 5 (% al 60% della prestazione di pulizia finale). È stata esplorata sperimentalmente un'ampia gamma di parametri, tra cui la frequenza e l'ampiezza dell'onda quadra applicata attraverso gli elettrodi. Il sistema è stato quindi applicato per rimuovere la polvere dallo strato esterno delle tute spaziali integrando uno strato di tessuto ortopedico (lo strato esterno delle tute spaziali) tra il sistema e uno strato di particelle di polvere."
Dai loro test, hanno scoperto che il sistema raggiungeva una prestazione di pulizia ottimale del 98% se integrato direttamente sotto uno strato di particelle di polvere. Tuttavia, questo è diminuito significativamente quando è stato introdotto lo strato esterno a causa della maggiore distanza tra il sistema e le particelle di polvere. Di conseguenza, concludono che questo sistema dovrebbe probabilmente essere integrato direttamente nello strato esterno delle tute spaziali per aumentarne le prestazioni, possibilmente intrecciato nel tessuto stesso. Il sistema offre un metodo non abrasivo per la rimozione della polvere, essenziale per le future missioni su Marte.
Tuttavia, come ha riassunto Griggs, sono necessari ulteriori perfezionamenti prima che la tecnologia possa essere utilizzata nelle missioni future. Inoltre, i potenziali benefici vanno oltre la salute degli astronauti e la rimozione della polvere dalle tute spaziali:
"Questo concetto è già stato esplorato con successo, anche se per sua stessa natura compromette l'integrità dello strato esterno della tuta spaziale. La tecnologia richiede quindi un perfezionamento prima dell'applicazione nelle future missioni su Marte. La tecnologia fornisce un'alternativa adeguata ai metodi meccanici della polvere rimozione utilizzata nelle missioni Apollo di breve durata (spazzolatura e aspirazione), che non sono adatte per missioni marziane più lunghe a causa del loro effetto abrasivo sulle tute spaziali. Si tratta quindi anche di una tecnologia molto promettente per la rimozione della polvere in altre applicazioni come la rimozione della polvere pannelli solari o dispositivi ottici, che saranno essenziali nelle future missioni su Marte."
Ulteriori informazioni: Benjamin M. Griggs et al, Sviluppo di un sistema di rimozione elettrostatica per l'applicazione nella rimozione della polvere dalle tute spaziali marziane, Acta Astronautica (2024). DOI:10.1016/j.actaastro.2024.02.016
Informazioni sul giornale: Acta Astronautica
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