Lunar regolith solar sintering: design via MBSE and experimental tests

The renewed interest in returning to the Moon highlights the importance of utilising lunar resources as a central focus of space exploration. Reducing launch costs and enabling more extensive human activities on the Moon relies heavily on effectively using the materials available on its surface. Integrating In-Situ Resource Utilisation (ISRU) and Additive Manufacturing (AM) proves fundamental for constructing future Moon bases, building landing pads, and producing astronaut tools. Solar Sintering stands out among AM technologies due to its low energy requirements and additive-free production process. Model-Based Systems Engineering (MBSE) plays a central role in designing and implementing a solar sintering setup within the ISRU framework to maximise its potential. Using the Architecture Analysis and Design Integrated Approach (ARCADIA), alongside the Capella software, structured around the methodology’s four engineering levels, delivers thorough models encompassing all mission aspects. It proves instrumental in defining the physical architecture and allowing for a dynamic and interactive system visualisation. The hardware modelled through this process is constructed, assembled, and tested in a series of experimental campaigns to verify the component functionality. This research constitutes a significant advancement in translating theoretical design into practical application, demonstrating the efficacy of MBSE methodology in guiding the development of a system from conception to realisation. Experimental findings reveal the substantial benefits of pre-compressing regolith and implementing precise temperature control for solar sintering, positioning it as a promising technology for lunar construction.

Il rinnovato interesse per il ritorno sulla Luna evidenzia l'importanza di utilizzare le risorse lunari come elemento centrale dell’esplorazione spaziale. La riduzione dei costi di lancio e l’ampliamento delle attività umane sulla Luna dipendono fortemente dall’utilizzo efficace dei materiali disponibili sulla sua superficie. L’integrazione dell'Utilizzo delle Risorse In-Situ (ISRU) e della Manifattura Additiva (AM) si dimostra fondamentale per la costruzione delle future basi lunari, la realizzazione di piattaforme di atterraggio e la produzione di strumenti per gli astronauti. Tra le tecnologie AM, la Sinterizzazione Solare si distingue per i suoi ridotti requisiti energetici e per un processo produttivo privo di additivi. L'Ingegneria dei Sistemi Basata su Modelli (MBSE) svolge un ruolo centrale nella progettazione e implementazione di un sistema di sinterizzazione solare all'interno dell'ambito ISRU per massimizzarne il potenziale. L'uso dell'Approccio Integrato per l'Analisi e la Progettazione dell'Architettura (ARCADIA), insieme al software Capella, strutturato sui quattro livelli ingegneristici della metodologia, consente di ottenere modelli completi che coprono tutti gli aspetti della missione. Questo approccio si dimostra fondamentale per definire l'architettura fisica e permette una visualizzazione dinamica e interattiva del sistema. I componenti modellati attraverso questo processo vengono costruiti, assemblati e testati in una serie di campagne sperimentali per verificarne la funzionalità. Questa ricerca rappresenta un importante passo avanti nella traduzione del design teorico in applicazioni pratiche, dimostrando l'efficacia della metodologia MBSE nel guidare lo sviluppo di un sistema dalla concezione alla realizzazione. I risultati sperimentali evidenziano i significativi vantaggi della pre-compressione della regolite e del controllo preciso della temperatura nel processo di sinterizzazione solare, rendendolo una tecnologia promettente per la costruzione lunare.