A thermo-mechanical model for lunar drilling operations using COMSOL multiphysics

This thesis tries to answer the need to model the thermo-mechanical interactions between a drilling tool and lunar regolith to assess the drilling process operations, something key for In-Situ Resource Utilisation (ISRU) in lunar exploration missions. The work done develops a coupled numerical model using COMSOL Multiphysics. Mechanical and thermal dynamics are integrated to assess the impact of operational parameters such as the penetration rate and rotational speed on penetration force, reaction torque, heat generation and temperature distribution. The validation is performed employing analytical models and experimental data from existing literature, ensuring the results' reliability under specified constraints. The simulation results discuss different operational objectives for lunar drilling processes and propose a rotational speed of 40 rpm and a penetration rate of 100 mm/min as optimal drilling conditions to minimise power consumption and sample alteration, which are critical for preserving the regolith and ensuring the mission efficiency. While the model provides useful insight into the understanding and optimisation of lunar drilling processes, it is limited by simplifications such as an axisymmetric geometry, a finite element approximation of the regolith and stationary results. The thesis closes with a discussion on an alternative workflow to develop a thermo-mechanical model based on a combination of Discrete Element Methods (DEM) and Finite Element Methods (FEM) to improve the regolith representation and the use of experiments to validate and correlate the results, which would provide a more reliable and robust model.

Questa tesi cerca di rispondere alla necessità di modellare le interazioni termomeccaniche tra un utensile di perforazione e il regolite lunare per valutare le operazioni del processo di perforazione, elemento chiave per l'utilizzo delle risorse in situ nelle missioni di esplorazione lunare. Il lavoro svolto sviluppa un modello numerico accoppiato utilizzando COMSOL Multiphysics. Le dinamiche meccaniche e termiche sono integrate per valutare l'impatto dei parametri operativi, come la velocità di penetrazione e la velocità di rotazione, sulla forza di penetrazione, la coppia di reazione, la generazione di calore e la distribuzione della temperatura. La validazione viene eseguita impiegando modelli analitici e dati sperimentali dalla letteratura esistente, garantendo l'affidabilità dei risultati entro i vincoli specificati. I risultati della simulazione discutono diversi obiettivi operativi per i processi di perforazione lunare e propongono una velocità di rotazione di 40 giri al minuto e una velocità di penetrazione di 100 mm/min come condizioni ottimali di perforazione per minimizzare il consumo di energia e l'alterazione del campione, che sono fondamentali per preservare il regolite e garantire l'efficienza della missione. Sebbene il modello fornisca utili approfondimenti sulla comprensione e l'ottimizzazione dei processi di perforazione lunare, è limitato da semplificazioni come una geometria assialsimmetrica, un'approssimazione agli elementi finiti del regolite e risultati stazionari. La tesi si conclude con una discussione su un flusso di lavoro alternativo per sviluppare un modello termomeccanico basato su una combinazione di Metodi degli Elementi Discreti e Metodi degli Elementi Finiti per migliorare la rappresentazione del regolite e l'uso di esperimenti per validare e correlare i risultati, che fornirebbe un modello più affidabile e robusto.