Thermal management system for an Am-241 based e european RPS powered ice-mining lunar rover

Lunar high latitude regions contain rich deposits of water ice. Water and other volatiles were directly detected by the LCROSS mission in 2009. Remote sensing measurements further corroborate the theory of the presence of vast ice deposits in the Permanently Shadowed Region (PSR) craters. Water ice deposits on the Moon are very valuable to the space community as in-situ extracted water can be used for many purposes, such as LOX/LH2 propellant couple production and human habitat support. PSR craters never see sunlight, so Solar power is not available there. They also present a cryogenic environment, with regolith as cold as 40K. These challenges can be overcome employing a Radioisotope Power System (RPS). NASA is planning to launch VIPER, a RPS powered rover that will explore Lunar poles surveying the PSR and prospecting for water and other volatiles, by the end of 2024. The work presented in this thesis aims at characterizing an ice-mining Lunar rover further developing VIPER concept. The rover will be equipped with an ESA designed Americium 241 based RPS. Am-241 has a 432-year long half-life and can provide decades of stable energy output for the rover operations. The innovation lies in the fact that the RPS will not only provide electrical power to the rover, but that its waste heat will be employed to thermally mine ice from its deposits. The rover is equipped with a sublimation plate, irradiating the underlying regolith to sublimate ice contained within; and with a cold trap, where extracted volatiles will be deposited. This work studied the rover concept feasibility, developing a model of its thermal management system (TMS) to meet sublimation plate and cold trap temperature requirements. The rover TMS design started with tradeoff studies to characterize its core architecture. The process has been iterated through a thermal network 1D analysis. Finally, results have been validated by a 3D finite element method thermal simulation. The findings of this work show that it is possible to perform ice-mining in the Lunar PSR environment, with different degrees of efficiencies depending on the amount of ice in the deposits.

Le regioni polari della Luna ospitano ricchi giacimenti di ghiaccio, ubicati nelle zone permanentemente in ombra (PSR). Lo sfruttamento dei giacimenti di ghiaccio Lunare è di grande interesse per la comunità spaziale grazie alle prospettive economiche e scientifiche che l'utilizzazione delle risorse in situ (ISRU) offre. L’acqua estratta in loco può essere impiegata per la produzione di propellente, o per il sostentamento di habitat umani. Le PSR non vedono mai la luce solare, rendendo impossibile il ricorso a sistemi fotovoltaici e presentando temperature criogeniche. Queste problematiche possono essere risolte grazie all’uso di generatori di potenza a radioisotopi (RPS). La NASA sta preparando la missione VIPER: un rover equipaggiato con RPS, esplorerà le PSR del polo sud Lunare. Il lavoro presentato punta a caratterizzare il sistema di gestione termica (TMS) di un rover Lunare per l’estrazione del ghiaccio, sviluppando ulteriormente il concetto di VIPER. Il rover oggetto di questa ricerca sarà dotato di un RPS di realizzazione ESA alimentato ad Americio 241, un radioisotopo con un’emivita di 432 anni, che può fornire un output energetico stabile per decadi. L’innovazione di questo lavoro sta nel fatto che il generatore a radioisotopi non fornirà solo potenza elettrica al rover, ma che anche il suo calore di scarto sarà usato per estrarre ghiaccio termicamente. Il rover è equipaggiato con una piastra di sublimazione che irradierà la regolite con il calore di scarto del RPS, facendo sublimare il ghiaccio in essa contenuto; e con una “trappola fredda”, dove il vapore si depositerà. Questo studio ha investigato la fattibilità di tale progetto tramite la simulazione del TMS per soddisfare i requisiti di temperatura su piastra e trappola fredda. Il lavoro è iniziato con degli studi di tradeoff per delineare l’architettura base, che è poi stata iterata attraverso un’analisi termica 1D. Infine, i risultati sono stati validati da un’analisi FEM 3D. Le conclusioni raggiunte hanno dimostrato che è possibile estrarre termicamente il ghiaccio dai giacimenti delle PSR Lunari. L’efficienza dipende dalla quantità del ghiaccio nei giacimenti.