On ground thermal vacuum test facility with planetary icy soil : design, prototyping and characterization to support exploration activities testing and calibration

Ice in the space represent an element of primary importance and of great interest. The focus is on the twofold role that ice and volatiles, entrapped in it, assume: of exobiological character the first, of exploitation as resources in situ, useful to the extraterrestrial life of humans or for propulsive purposes, the second. The first in situ analysis of the ice present at the lunar south pole will be carried out by the ESA Luna 27 mission. During extraction, the icy sample can easily sublimate due to the temperature increase caused by drilling operations and due to the low pressure present on the moon. Hence, there is the need to develop a facility capable of reproducing a lunar simulant bed under relevant pressure and temperature conditions to ensure the preservation of the sample. Reproducing a lunar simulant bed is a tough challenge starting from the need of repeatable procedures to prepare the soil, to the need to ensure its preservation during vacuum operations and to understand its physical characteristics. The aim of this thesis is to design and implement a small-scale prototype of this system, which allows to characterize the lunar simulant bed. The great advantage of the developed prototype lies in the ability to control the pressure decay rate and to exploit an external source to provide the thermal contribution. The dry lunar simulant NU-LHT-2M was used in the first vacuum tests with the prototype. To reproduce the bulk density of the moon soil, the layer vibration compaction method was used. The lunar simulant soil bed was then brought under medium vacuum conditions at different pressure decay rates to study the appearance of soil disruptions, and to understand if it is possible to preserve its bulk density. The amount of air released by the lunar simulant sample was calculated by exploiting the pressure curves, known experimentally. Future tests with the prototype will cover wet lunar simulant tests under vacuum conditions with activated thermal contribution.

Il ghiaccio nello spazio rappresenta un elemento di primaria importanza e di grande interesse. L'attenzione è rivolta al duplice ruolo che il ghiaccio e i volatili, in esso racchiusi, assumono: di carattere esobiologico il primo, di sfruttamento in situ come risorse, utili alla vita extraterrestre dell'uomo o per fini propulsivi, il secondo. Una prima analisi in situ del ghiaccio presente al polo sud lunare verrà effettuata dalla missione ESA Luna 27. Durante l'estrazione il campione ghiacciato può facilmente sublimare a causa dell'aumento di temperatura provocato dalle operazioni di trapanazione e per via della bassa pressione presente sulla luna. Da qui la necessità di sviluppare una struttura in grado di riprodurre un letto di simulante lunare, in condizioni di pressione e temperatura rilevanti, per poter garantire la preservazione del campione. Riprodurre un letto di simulante lunare è un'ardua sfida, a partire dal bisogno di procedure ripetibili per preparare il suolo, fino alla necessità di garantirne la preservazione durante le operazioni di messa a vuoto e capirne le sue caratteristiche fisiche. L'obiettivo di questa tesi è il design e l'implementazione di un prototipo in scala ridotta di questo sistema, che permetta di caratterizzare il letto di simulante lunare. Il grande vantaggio del prototipo sviluppato risiede nella possibilità di controllare il rateo di abbassamento di pressione e nello sfruttare una sorgente esterna per fornire il contributo termico. Il simulante lunare secco NU-LHT-2M è stato utilizzato nei primi test a vuoto con il prototipo. Per riprodurre la densità apparente del suolo lunare si è adoperato il metodo di compattazione a strati per vibrazione. Il letto di simulante lunare è stato poi portato in condizioni di vuoto medio a diversi ratei di abbassamento di pressione per studiare la comparsa di rotture nel suolo, e capire se si è in grado di preservarne la densità apparente. La quantità di aria rilasciata dal campione di simulante lunare è stata calcolata attraverso la conoscenza delle curve di pressione, note per via sperimentale. I futuri test in programma con il prototipo riguarderanno le prove a vuoto con simulante lunare bagnato e con apporto termico attivo.