Lunar regolith processing Plant for oxygen extraction: design for flight of a scaled ISRU demonstrator payload

Human exploration of the Moon has seen an increased interest in recent years from space agencies and the scientific community, as part of the global exploration roadmap. As a matter of fact, manned missions to the lunar surface are being planned for the first time since the end of the Apollo program in 1972. Part of the interest is in establishing a sustained presence of humans on the Moon. In-Situ Resource Utilization (ISRU) was identified as a priority, in order to alleviate the need to bring material from the Earth. Oxygen extraction from lunar regolith is one such technology, important both for life support as well as for propellant production. A novel solid phase regolith oxygen extraction method is already under study at Politecnico di Milano, and a demonstrator plant has shown the feasibility of the process on Earth. This work investigates the preliminary design of a miniaturised plant, for demonstration of the process on the surface of the Moon. Functional decomposition of the current prototype is first performed. Then, preliminary numerical fluid and thermal exchange models are developed, to investigate furnace and tank architectures. The investigation allows to converge on a set of twelve different architectures, and selection of a main furnace baseline is made from a trade-off between them. The design is then investigated and refined with numerical multiphysics software, leading to a feasible solution for the main reactor. A full plant model is then created, trading off each component and determining their individual cost and returns. Finally, a detailed analysis of operations, mass and power is performed to ensure its coherence with the scientific requirements. A design of the miniaturized demonstrator is proposed, along with potential changes and their eventual costs. A list of requirements and criticalities is further produced, to guide the eventual production of the demonstrator.

L'esplorazione umana della Luna ha visto negli ultimi anni un crescente interesse da parte delle agenzie spaziali e della comunità scientifica, come parte della \textit{global exploration roadmap}. Infatti, per la prima volta dalla fine del programma Apollo nel 1972, si stanno pianificando missioni con equipaggio sulla superficie lunare. L'interesse è anche quello di stabilire una presenza prolungata di esseri umani sulla Luna. \textit{In-Situ Resource Utilization} (ISRU) è stato identificato come una priorità, al fine di alleviare la necessità di trasportare materiale dalla Terra. L'estrazione di ossigeno dalla regolite lunare è una di queste tecnologie, importante sia per il supporto vitale che per la produzione di propellenti. Un nuovo metodo di estrazione dell'ossigeno dalla regolite in fase solida è già in fase di studio al Politecnico di Milano e un impianto dimostrativo ha dimostrato la fattibilità del processo sulla Terra. Questo lavoro di tesi studia la progettazione preliminare di un impianto miniaturizzato, per dimostrare il processo sulla Luna. In primo luogo viene eseguita una decomposizione funzionale del prototipo attuale. Successivamente, sono stati sviluppati modelli numerici preliminari di scambio termico e di fluidi per studiare le architetture dei forni e dei serbatoi. Lo studi permette di convergere su un insieme di dodici architetture diverse, e la selezione di un architettura di base del forno principale è stata fatta a partire da un valutazione comparativa tra di esse. Il progetto viene poi studiato e perfezionato con un software numerico multifisico, che porta a una soluzione fattibile per il reattore principale. Viene quindi creato un modello completo dell'impianto, scegliendo ogni componente in base al loro peso nel trade-off e alle loro caratteristiche tecniche. Infine, viene eseguita un'analisi dettagliata delle operazioni, della massa e della potenza per garantire la coerenza con i requisiti scientifici. Viene proposto un progetto del dimostratore miniaturizzato, con le possibili modifiche e i loro eventuali costi. Viene inoltre prodotto un elenco di requisiti e criticità per guidare l'eventuale produzione dell'impianto.