Payload sizing for lunar in-situ resource utilization

In-Situ Resources Utilization (ISRU) opens the gate to new space frontiers, by allowing mankind to create permanent bases on other celestial bodies and adventure deeper into space. Before reaching this milestone, the technological capability of extracting vital resources needs to be demonstrated. In order to address this challenge the process of water extraction from lunar regolith must be demonstrated. This thesis focuses on the sizing of a miniaturized payload which will serve as a technology demonstrator for validating the Carbothermal reduction process. Due to highly restrictive mass budget, the payload can only accommodate the first stages of the process, thus quantifying the extracted carbon oxides species. The main parameter used in the sizing is the mass of regolith processed in one batch. The payload is designed to fit inside a 50kg mass budget with limited power consumption. In the design process, the mass of the payload was evaluated over a range of regolith batch sizes, thus allowing the payload to be selected as a baseline for future missions. The payload is considered as a lander’s subsystem, thus all the power, data and storage budgets are sized as requirements for it. Furthermore, the opportunity for night survival is analysed and the power required is sized.

In-Situ Resources Utilization (ISRU) apre le porte a nuove frontiere nell’ambito dello spazio, premettendo all’umanità di creare basi permanenti su altri corpi celesti e di avventurarsi nelle profondità dello spazio. Prima di raggiungere questo traguardo, è necessario dimostrare la capacità tecnologica di estrarre risorse vitali. Il primo passo per raggiungere tale obbiettivo consiste nel dimostrare il processo di estrazione dell’acqua dalla regolite lunare. Questa tesi si concentra sul dimensionamento di un carico utile miniaturizzato che fungerà da dimostratore tecnologico per la convalidazione del processo di riduzione Carbotermica. A causa di un budget altamente restrittivo, il carico utile può accogliere solo le prime fasi del processo, quantificando così le specie di ossidi di carbonio estratti. Il parametro principale utilizzato del dimensionamento è la massa di regolite elaborata in un batch. Il carico utile è progettato per adattarsi a un budget di 50 kg con un consumo energetico limitato. Nel processo di progettazione, la massa del carico utile è stata valutata su una gamma di dimensioni dei batch di regolite, consentendo così di selezionare il carico utile come base per le missioni future. Il carico utile è considerato come un sottosistema del modulo di atterraggio, pertanto tutti i budget di potenza, dati e archiviazione sono dimensionati come requisiti per esso. Inoltre, in questa tesi, viene analizzata l’opportunità per la sopravvivenza notturna e dimensionata la potenza richiesta.