An analytical and numerical investigation of the pressure drop in additively manufactured lunar regolith gyroid structures

In recent years, additive manufacturing has become a well-established technology for the production of a wide variety of objects in different engineering fields, ranging from small components and tools, up to large scale structural elements, such as habitats. The interest of space companies and industries in this technology has grown over the years, as it represents an excellent fit for the In-Situ Resource Utilization (ISRU) of natural resources, such as lunar regolith. The high design freedom enabled by 3D printing has brought attention on lattice structures, such as gyroids, due to their light weight, excellent mechanical properties and particularly high surface area to volume ratio, that makes them suitable candidates for the realization of a variety of components such as heat exchangers and catalyst beds. This work presents the design and performance assessment of a 3×5 cm hydrogen peroxide mono-propellant catalyst bed, designed with gyroid geometry and manufactured via DLP additive manufacturing of lunar regolith simulant, with a particular attention to the analysis of pressure losses across the channel. After the evaluation of the analytical pressure losses for different gyroid configurations, some candidate geometries are chosen among all, and the analytical pressure drop is then validated using CFD numerical simulations. Finally, a definitive geometry is selected according to propulsive and printing requirements and it is printed with lunar regolith simulant, and its quality if assessed. In the end, a good agreement between analytical and numerical results is obtained, confirming the validity of both analytical and numerical models for such application. Furthermore, the feasibility of the manufacturing of such complex geometry through additive manufacturing of both polymer and lunar regolith is shown, as the printed candidate geometry demonstrates high detail and accuracy.

Negli ultimi anni, la manifattura additiva (stampa 3D) si è affermata come tecnologia per la produzione di una vasta gamma di artefatti appartenenti a diversi campi dell’ingegneria, partendo da piccole componenti e attrezzi, fino ad arrivare ad ampie strutture come abitazioni. L’interesse delle agenzie spaziali e delle aziende manifatturiere verso questa tecnologia è cresciuto negli anni, vista la sua applicabilità nel campo del "In-Situ Resource Utilization" (ISRU), ossia lo sfruttamento di risorse naturali come la regolite lunare. La grande libertà di progettazione offerta dalla stampa 3D ha portato l’attenzione sulle strutture reticolari (lattice structures), come i giroidi, che, grazie al loro peso ridotto, eccellenti proprietà meccaniche ed elevati valori di rapporto area-volume, sono diventati degli ottimi candidati per la realizzazione di molte componenti come gli scambiatori di calore e i letti catalitici. Il focus di questa tesi è il design, l’investigazione e validazione delle performance di un letto catalitico giroidale per motore monopropellente, realizzato in stampa 3D via Digital Light Processing (DLP) utilizzando come materiale di stampa un simulante della regolite lunare. In particolare, il progetto di ricerca si concentra sull’analisi delle perdite di pressione attraverso il letto. In una prima parte vengono eseguite delle predizioni analitiche della perdita di pressione su diverse geometrie giroidali, e, successivamente, vengono condotte delle simulazioni numeriche sulle stesse, per validarne i risultati analitici. Infine, tra tutte le geometrie analizzate, viene selezionata quella che soddisfa requisiti propulsivi e di stampa. Questa viene quindi realizzata tramite stampa 3D utilizzando un simulante della regolite lunare, e la qualità della stampa viene presentata. Viene quindi presentata una buona somiglianza tra i valori analitici e quelli numerici, confermando la capacità di entrambi di descrivere flussi attraverso tali geometrie complesse. Inoltre, dati l’alto livello di dettaglio e accuratezza ottenuti nel modello stampato, viene confermata la capacità di questo tipo di manifattura additiva nel realizzare geometrie complesse come quelle giroidali.