LCIA of launchers propulsive technologies : Ariane 5 ECA

The Commercial Space transportation (CST) is strongly increasing over the last years, due to the emerging presence of corporates as SpaceX, Blue Origin, or the joint venture ArianeGroup, who are aggressively pursuing the investment of economic resources on space applications for scientific research or the orbital launch of telecommunications payloads. Thanks to this boost the business has suddenly risen up and has been involved as major topic of last European "green" horizons, as evidenced by the goals of the 2030 Agenda. However, the environmental impact from space launchers has not already been characterized at all. For this reason, the Life Cycle Assessment has been choosen (an internationally standardized tool ISO 14040 and 14044 widely accepted as the best way to better assess the environmental, social and economic impact of space projects over their whole life cycle ("from cradle to grave"). The whole chain suggests starting from raw material extraction, passing then through manufacturing process and concluding the loop with disposal scenarios, disassembly and reuse. All of the surrounding activities are then considered covering spacecraft and launcher-related activities as well as ground segment ones. Starting already from past examples such as the Space Shuttle and Falcon 9, there is an increasing attempt to address the world of space missions towards the engineering of new technologies and new materials. The main purpose is to increase number of reuse, to improve further activities and make space industry cleaner. The huge hurdles associated with wear and cleaning of components after ditching, have prompted major global companies to aggressively pursue a more sustainable approach throughout the development of the product. Thus, it is possible to identify the real sources of environmental impact of the system. In particular, European industries are being called by the European Commission through the Joint Research Centre to evaluate their environmental impacts and quantify them through uniformly approved guidelines. Currently there are several methodologies that aim to assess the environmental impact, all of which conform to ISO standards but have been developed using different approaches. Each of the them have a very high flexibility to move from one method to another without many difficulties. For example, they may propose different characterization factors or may not provide for normalization or weighting of the data. However, the space world will need a much more comprehensive assessment than the state of the art. For this reason, new tools will be essential for new life cycle sustainability assessment for the design of next generation green space systems. The aim of this work is: to focus entirely on the environmental impact of the Ariane 5 ECA launcher but ignore the socio-economic aspects related to it. The quantification of this LCA will take place through the simulation software SimaPro, together with other Matlab codes. Basically, they implement the model of the propulsive phase and the stratification of materials and insulators involved in such a vehicle. It starts with a brief summary of the state of the art, it follows then the introduction of the key concepts to be able to carry out a similar simulation in SimaPro, facing the various choices that must be made upstream of the analysis. Then the real analysis begins, and refers to the case study: Ariane 5 ECA. Actually, there is not yet a database that summarizes exhaustively all the data needed to develop the LCA for Ariane 5. Thus, some scientific articles, data sheets and patents are exploited in order to create the most suitable dataset about its performance and mass splitting. The design of the process diagram continues with the definition of the combustion model with the relative amount of exhaust gases. They are a key part of the diagram that represents the entire life cycle. In fact, for this study an entire block of the process is dedicated to the combustion (it is the real "black hole" of LCIA analysis in space sector). Then a target altitude (24 km) is set beyond which combustion is exhausted and over which the analysis will not be made.

Il trasporto spaziale commerciale (CST) è in forte crescita negli ultimi anni, grazie alla presenza emergente di società come SpaceX, Blue Origin, o la joint venture ArianeGroup, che stanno perseguendo aggressivamente l'investimento di risorse economiche su applicazioni spaziali per la ricerca scientifica o il lancio orbitale di carichi utili di telecomunicazioni. Grazie a questa spinta il business si è improvvisamente impennato ed è stato coinvolto come argomento principale degli ultimi orizzonti "green" europei, come evidenziato dagli obiettivi dell'Agenda 2030. Tuttavia, l'impatto ambientale dei lanciatori spaziali non è stato ancora del tutto caratterizzato. dalla culla alla tomba. Per questo motivo è stato scelto il Life Cycle Assessment (uno strumento standardizzato a livello internazionale (ISO 14040 e 14044) ampiamente accettato come il modo migliore per valutare meglio l'impatto ambientale, sociale ed economico dei progetti spaziali durante il loro intero ciclo di vita ("dalla culla alla tomba"). L'intera catena suggerisce di partire dall'estrazione delle materie prime, passando poi attraverso il processo di fabbricazione e concludendo il ciclo con scenari di smaltimento, smontaggio e riutilizzo. Tutte le attività circostanti sono poi considerate, includendo le attività relative al veicolo spaziale e al lanciatore, così come le attività del segmento di terra. Partendo già da esempi passati come lo Space Shuttle, passando poi al Falcon 9 di Space X, c'è un crescente tentativo di indirizzare il mondo delle missioni spaziali verso l'ingegnerizzazione di nuove tecnologie, nuovi materiali con lo scopo di aumentare il riutilizzo dei componenti per ulteriori attività. Gli enormi ostacoli legati all'usura e alla pulizia dei componenti dopo l'atterraggio a terra hanno spinto le grandi aziende mondiali a perseguire aggressivamente un approccio più sostenibile, durante tutto lo sviluppo del prodotto, individuando così le reali fonti di impatto ambientale del sistema. In particolare, le industrie europee sono state chiamate dalla Commissione Europea attraverso il Joint Research Centre a valutare i loro impatti ambientali e iniziare a rendere chiara una quantificazione conforme a linee guida uniformemente approvate. Attualmente esistono diverse metodologie che mirano a valutare diversi aspetti, individuando così diverse categorie di impatto ambientale suggerite, ed è anche questa elevata flessibilità che permette di sviluppare un lavoro coerente passando da un metodo all'altro senza molte difficoltà. Tuttavia, spostando di nuovo l'attenzione sulla sostenibilità, il mondo spaziale avrà bisogno di una valutazione molto più completa dello stato dell'arte. Per questo motivo, nuovi strumenti saranno essenziali per una nuova valutazione della sostenibilità del ciclo di vita per la progettazione di sistemi spaziali verdi di nuova generazione. Lo scopo di questo lavoro è quindi quello di concentrarsi interamente sull'impatto ambientale del lanciatore Ariane 5 ECA, tralasciando per un momento gli aspetti socio-economici ad esso collegati, utilizzando il software di simulazione SimaPro, insieme a codici Matlab ad hoc per la modellazione della fase propulsiva, e della stratificazione dei materiali e degli isolanti coinvolti in questo lanciatore. Si inizia con un breve riassunto dello stato dell'arte, Segue poi l'introduzione dei concetti chiave per poter effettuare una simulazione simile in SimaPro andando ad affrontare le varie scelte che devono essere fatte a monte dell'analisi. Poi inizia l'analisi vera e propria, facendo riferimento al caso di studio. A causa della mancanza di un database che raccolga tutte le informazioni di Ariane 5 in maniera consolidata vengono sfruttati alcuni articoli scientifici, schede tecniche e brevetti per creare il dataset più adatto sulle sue prestazioni e sul frazionamento della massa. La progettazione del diagramma di processo continua con la definizione del modello di combustione con la relativa quantità di gas di scarico. Ricordando che lo scopo è la quantificazione dell'impatto ambientale, si propone l'inserimento dei gas di scarico come blocco finale della catena (la combustione è il vero "buco nero" dell'analisi LCIA nel settore spaziale), e quindi si stabilisce una quota target (24 km) oltre la quale la combustione si esaurisce e oltre la quale non si farà l'analisi.