Developing human habitats on Moon and Mars: thermal assessment of advanced building envelopes

In recent years, space exploration has grown rapidly thanks to technological progress, the involvement of major private companies, and a renewed global interest in establishing a human presence beyond Earth. Among future goals, long-term missions to the Moon and Mars are becoming increasingly realistic, and the creation of permanent bases on these bodies will require safe, efficient, and durable building envelopes able to protect astronauts from extreme environmental conditions. This thesis studies the thermal behaviour of a possible envelope for extraterrestrial habitats, focusing on a hybrid solution made of an internal inflatable module and an external sulfur–regolith concrete shell produced through In-Situ Resource Utilization (ISRU). The aim is to evaluate how such a system performs when exposed to the harsh climates of the Moon and Mars, characterised by strong temperature variations, limited convection, intense radiation, and uncertain material properties. The research develops along two main lines. First, a review of the scientific literature is carried out to understand the environmental conditions of the Moon and Mars, the technologies used in past and current space missions, and the performance of existing insulation and protection systems. Second, a computational approach is adopted to analyse the thermal response of different envelope configurations through both steady-state calculations and dynamic 24-hour simulations using COMSOL Multiphysics. These simulations identify the influence of key parameters including concrete thermal conductivity, MLI thickness and the presence of a vacuum gap on heat fluxes across the envelope, while the transient analysis incorporates variable external temperatures and solar irradiance, studying the combined effect of material thermal inertia and fluctuating boundary conditions. Overall, the thesis provides a useful foundation for the design of energy-efficient and resilient building envelopes for future human settlements on the Moon and Mars, to use as starting point for future developments.

Negli ultimi anni l’esplorazione spaziale è cresciuta rapidamente grazie ai progressi tecnologici, al coinvolgimento di importanti aziende private e a un rinnovato interesse globale nel creare una presenza umana oltre la Terra. Tra gli obiettivi futuri, le missioni di lunga durata verso la Luna e Marte stanno diventando sempre più realistiche, e la costruzione di basi permanenti su questi corpi celesti richiederà involucri edilizi sicuri, efficienti e durevoli, in grado di proteggere gli astronauti da condizioni ambientali estreme. Questa tesi studia il comportamento termico di un possibile involucro per habitat extraterrestri, concentrandosi su una soluzione ibrida composta da un modulo interno gonfiabile e da un involucro esterno in calcestruzzo composto da zolfo–regolite prodotto tramite In-Situ Resource Utilization (ISRU). L’obiettivo è valutare come tale sistema si comporti quando esposto agli estremi climi lunare e marziano, caratterizzati da forti variazioni di temperatura, convezione limitata, intensa radiazione e proprietà dei materiali non del tutto note. La ricerca si sviluppa lungo due linee principali. In primo luogo, viene condotta una revisione della letteratura scientifica per comprendere le condizioni ambientali di Luna e Marte, le tecnologie utilizzate nelle missioni spaziali passate e attuali, e le prestazioni dei sistemi di isolamento e protezione esistenti. In secondo luogo, viene adottato un approccio computazionale per analizzare la risposta termica di diverse configurazioni dell’involucro attraverso sia calcoli in regime stazionario sia simulazioni dinamiche su 24 ore mediante COMSOL Multiphysics. Queste simulazioni permettono di identificare l’influenza di parametri chiave quali la conducibilità termica del calcestruzzo, lo spessore dell’MLI e la presenza di un’intercapedine di vuoto sui flussi di calore attraverso l’involucro; l’analisi transitoria incorpora inoltre temperature esterne variabili e irradianza solare, studiando l’effetto combinato dell’inerzia termica dei materiali e delle condizioni al contorno estremamente variabili. Complessivamente, la tesi fornisce una base utile per la progettazione di involucri edilizi energeticamente efficienti e resilienti per futuri insediamenti umani sulla Luna e su Marte, da utilizzare come punto di partenza per sviluppi futuri.