Modelling energy exchange of a sampling tool for icy samples collection in extraterrestrial bodies

Future exploration robotic missions will focus the attention on extraterrestrial icy soils for the search of form of life and the study of trapped volatile. The presented work is developed in collaboration with Leonardo S.p.A. which was in charge to develop a sampling tool for the future Russian Luna 27 mission. The aim of the mission is the lunar South Pole Aitken where the presence of ice content is nowadays confirmed. The work analyses the PROSEED subsystem which is the Drilling, Coring and Distribution tool of the mission, in charge to collect two separate samples: one for the European and the other for the Russian part. The objective of the thesis is to develop an Energy Exchange Model (EEM) of the subsystem. The sampling tool is simplified with an axial symmetric representation in order to have a less computationally demanding model. The output of the simulations is the temperature profile of the European sample. The influence of drilling performances and soil properties is discussed focusing on the volatile preservation which is the main concern of the work. First the analysis is performed in the worst case scenario and the main aspects of each phase are discussed. Then sensitivity analyses are used to look at the impact of some parameters on the main focus of the study. The work explores also different scenarios. Together with lunar pole, the Martian poles and Europa are among the sites of main interest for future exploration missions. The model is calibrated also in these two scenarios in order to give an insight of possible applications.

Le future missioni spaziali robotiche porranno l'attenzione su corpi in cui la presenza di acqua è stata confermata, alla ricerca di forme di vita e di volatili presenti nel suolo ghiacciato. Il lavoro di tesi è stato svolto in collaborazione con Leonardo S.p.A. L'azienda ha in carico la progettazione del sistema ProSEED di PROSPECT, parte della futura missione Luna 27. La mission punterà al South Pole Aitken dove la presenza di ghiaccio è stata confermata. ProSEED è il sottosistema di perforazione, acquisizione e distribuzione della missione con il compito di prelevare due diversi campioni: uno per la parte Europea e uno per la parte Russa. L'obiettivo primario del lavoro di tesi è quello di sviluppare un modello di scambio energetico (EEM) del sottosistema considerato. Viene studiata una configurazione semplificata del sottosistema, riproducendolo in forma assialsimmetrica in modo da avere costi computazionali ridotti per l'analisi termica. I risultati principali della simulazione saranno i profili di temperatura del campione Europeo, il cui studio è al centro del lavoro svolto. L'analisi viene dapprima svolta nel peggiore scenario, per poi successivamente volgere verso l'impatto di alcuni parametri principali sulla temperatura del campione. Successivamente, il modello viene calibrato in altri scenari di forte interesse, i poli di Marte e la superficie di Europa, con lo scopo di studiarne la possibilie applicazione.