Mission definition and breadboarding for lunar resources utilisation on the Moon

The new era of human space exploration aims at long-duration missions on the moon as a pedestal to farther celestial bodies. This challenge promotes the autonomy of future crews to limit the take-off mass on Earth. In this optic, the development of In-situ Space Resources Utilisation (ISRU) is a key support to this endeavour. In this context, oxygen is one of the major resources to support both propulsion and crew consumption. Ingenious techniques are developed to extract oxygen naturally contained in the lunar soil. Although the system needed is complex and heavy, the gain in weight to land on the lunar surface would be significant. The ISRU Pilot Plant is ESA's initiative to test oxygen production on the Moon's surface and will be the core of this study. This master thesis will analyse this topic considering two axes. The first one relates to the mission design using Model Based System Engineering (MBSE). This novel way to perform system engineering supported the architecture definition of the ISRU Pilot Plant mission. The second one tackles the hardware development of the oxygen production process. A breadboarding of a promising solution based solely on lunar vacuum and sunlight was carried out to enable sustainable oxygen production in the long run.

La nuova era dell’esplorazione spaziale umana mira a missioni di lunga durata sulla Luna come trampolino per corpi celesti più distanti. Questa sfida promuove l’autonomia dei futuri equipaggi per limitare la massa al decollo sulla Terra. In quest’ottica, lo sviluppo dell’uso delle risorse spaziali in situ (ISRU) costituisce un supporto chiave a questo sforzo. In questo contesto, l’ossigeno costituisce una delle maggiori risorse per sostenere sia la propulsione che i consumi dell’equipaggio. Si stanno sviluppando tecniche ingegneristiche per estrarre l'ossigeno naturalmente contenuto nel suolo lunare. Sebbene i sistemi richiesti siano complessi e pesanti, l’aumento di peso derivante dall’atterraggio sulla superficie lunare sarebbe significativo. L'impianto pilota ISRU (ISRU Pilot Plant) è un'iniziativa dell'ESA per provare la produzione di ossigeno sulla superficie della Luna e sarà al centro di questo studio. Questo studio analizzerà questo argomento lungo due assi. Il primo riguarda la progettazione della missione utilizzando l'ingegneria dei sistemi basati su modelli (MBSE). Questo nuovo modo di fare ingegneria di sistema ha supportato la definizione dell'architettura della missione dell'impianto pilota ISRU. Il secondo riguarda lo sviluppo dell'hardware per il processo di produzione dell'ossigeno. È stato prodotto un modello di una soluzione promettente basata esclusivamente sul vuoto lunare e sulla luce solare per consentire la produzione sostenibile di ossigeno a lungo termine.