Optimization of magnetic beneficiation of lunar regolith for ISRU applications

The establishment of a sustainable human presence on the Moon relies on In-Situ Resource Utilization (ISRU) to produce consumables and construction materials directly from the local environment. A critical step in the ISRU value chain is the beneficiation of lunar regolith, where magnetic separation offers a particularly promising solution. However, current state-of-the-art techniques are limited to manual laboratory procedures that are incompatible with the operational scalability required for a lunar outpost. This thesis addresses this technological gap by designing, modeling, and validating a dry magnetic separator. The research follows a multi-disciplinary engineering approach, beginning with the development of a comprehensive mathematical model to predict particle trajectories under competing magnetic and fluid-dynamic forces. This theoretical framework was refined through electromagnetic simulations using the Finite Element Method (FEM) to optimize the magnetic circuit geometry. To validate the model, a fully automated prototype was constructed and tested using Lunar Highlands Simulant (LHS-1). The experimental campaign characterized the system's performance against both established manual methods and theoretical predictions. In conclusion, the results validated the effectiveness of the proposed solution and confirmed the mathematical model as a reliable tool for predicting the theoretical upper bound of system performance.

L’istituzione di una presenza umana sostenibile sulla Luna si basa sull’In-Situ Resource Utilization (ISRU), finalizzata alla produzione di consumabili e materiali da costruzione direttamente a partire dalle risorse locali. Un passaggio cruciale è il beneficiamento della regolite lunare, per il quale la separazione magnetica rappresenta una soluzione particolarmente promettente. Tuttavia, le tecniche attualmente disponibili sono limitate a procedure di laboratorio manuali, incompatibili con i requisiti di scalabilità operativa di un avamposto lunare. Questa tesi affronta tale lacuna tecnologica attraverso la progettazione, la modellazione e la validazione di un separatore magnetico a secco. Il lavoro è stato condotto adottando un approccio ingegneristico multidisciplinare, partendo dallo sviluppo di un modello matematico completo per predire le traiettorie delle particelle soggette a forze magnetiche e fluidodinamiche. Tale quadro teorico è stato poi raffinato attraverso simulazioni elettromagnetiche agli Elementi Finiti (FEM) con lo scopo di ottimizzare la geometria del circuito magnetico. Per validare il modello, è stato costruito un prototipo, successivamente testato utilizzando il simulante lunare LHS-1. La campagna sperimentale ha confrontato le prestazioni del sistema sia con il metodo manuale sia con le previsioni teoriche. In conclusione, i risultati hanno dimostrato l'efficacia della soluzione proposta e confermato il modello matematico come strumento affidabile per predire il limite superiore teorico delle prestazioni del sistema.