Preliminary analysis of innovative inflatable habitats for Mars surface missions

The space structures currently used as habitat are made of aluminium alloy or stainless steel; due to their weight and the large volumes required to accommodate the astronauts, it is impossible to use these technologies for a mission aiming to reach Mars. The challenge is to find solutions that make the best use of the reduced transport capacity of the available launchers, by designing lighter and initially compact structures that guarantee the same safety and reliability. For this reason, the study of inflatable structures has gained a lot of interest in recent years: they can be folded, in the stowed condition, in order to fully exploit the space dedicated to the launcher payload, and inflated subsequently to reach the necessary volumes at the end of the deployment phase. In addition, these structures are much lighter than traditional ones and would reduce costs significantly, as the number of launches required to build a structure of the same size using traditional technologies would be much higher. However, inflatable habitats are currently unable to withstand impacts with micrometeorites, space debris or other possible blunt objects, and if punctured, these structures would depressurise and collapse, with catastrophic effects for those who live there. The solution we propose is to insert a layer of self-healing material in the lamination sequence of the protective membrane, which guarantees that any holes can be repaired in an autonomous manner and in a very short period. On the basis of these considerations, a structure was designed, initially stowed in a small volume, capable of opening thanks to a network of inflatable beams that are rigidised by stressing the material of the wall beyond the yielding. These beams, with circular sections, were folded using an origami technique known as Miura-Ori. Analyses of the Martian environment were then developed to determine certain requirements that the structure must guarantee in terms of protection from radiation and internal temperature range in order to be usable as a habitat. Finally, some methods of in situ resources utilisation were analysed for the production of basic necessities and fundamental for the habitability of the structure such as water and oxygen.

Le strutture spaziali ad ora utilizzate come moduli abitativi sono realizzate in lega di alluminio o in acciaio inossidabile; a causa del loro peso e dei grandi volumi richiesti per ospitare gli astronauti risulta impossibile utilizzare queste tecnologie per una missione che preveda la permanenza su Marte. La sfida è trovare delle soluzioni che consentano di sfruttare al meglio la capacità di trasporto ridotta dei lanciatori disponibili, progettando strutture più leggere ed inizialmente compatte, ma che garantiscano la stessa sicurezza e affidabilità. Per questo lo studio di strutture gonfiabili ha acquisito molto interesse negli ultimi anni: esse possono essere piegate in modo da sfruttare completamente lo spazio dedicato al payload del lanciatore e gonfiate successivamente raggiungendo al termine del deployment i volumi necessari. Inoltre, risultano molto più leggere di quelle tradizionali e consentirebbero un risparmio economico grazie al minor peso da lanciare. Tuttavia gli habitat gonfiabili non sono in grado di resistere agli impatti con micrometeoriti o detriti spaziali e se forate andrebbero incontro a depressurizzazione e collasso, con effetti catastrofici per chi dovesse usufruirne. La soluzione che proponiamo è quella di inserire nella sequenza di laminazione della membrana esterna uno strato di materiale self healing, che garantisca la riparazione di eventuali buchi in tempi utili e soprattutto in modo autonomo. A partire da queste considerazioni è stata progettata una struttura inizialmente stivata in un volume ridotto in grado di aprirsi grazie a un reticolo di travi gonfiabili che vengono irrigidite al raggiungimento di una certa pressione. Queste travi a sezione circolare sono state piegate seguendo una tecnica di origami conosciuta come MiuraOri. Sono state quindi sviluppate delle analisi sull’ambiente marziano per determinare alcuni requirements che la struttura deve garantire in termini di protezione dalle radiazioni e di range di temperatura interna affinché sia effettivamente utilizzabile come habitat. Infine sono stati analizzati alcuni metodi di in situ resources utilization per la produzione di beni di prima necessità e fondamentali per l’abitabilità della struttura quali l’acqua e l’ossigeno.