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Hive Mars la prima tesi italiana di ricerca: Space Architecture su Marte. Molfetta c ' e'

MOLFETTA 17/03/2021

Hive Mars rappresenta la prima Tesi di ricerca svolta in Italia sul tema della Space Architecture, in particolare sull’architettura planetaria su Marte, condotta dal team Archimars, composto dai neo-laureati Alessandro Angione (di Molfetta), Federica Buono, Ivana Fuscello, Isabella Paradiso, Mirha Vlahovljak e Hana Zècevic, dal prof. arch. Giuseppe Fallacara e dallo space arch. Vittorio Netti.

Lo scopo del Laboratorio di Tesi di Progettazione Architettonica, nato dalla collaborazione tra il Politecnico di Bari e il dipartimento SICSA (Sasakawa International Center for Space Architecture), è quello di diffondere la disciplina a partire da un contesto nazionale attraverso l’omonimo canale YouTube Archi Mars, (CLICCA QUI) dove sono raccolte lectures tenute da diverse figure specializzate nella disciplina, le piattaforme social Facebook e Instagram e la futura pubblicazione di un libro sulla ricerca condotta dal team.

L’approccio del team Archimars si rifà agli studi e alle challenges indette dalla NASA con lo scopo di compiere dei progressi in ambito tecnologico per creare soluzioni abitative sostenibili per la Terra e oltre.

Architettura di missione
Prima di definire il vero e proprio progetto di un insediamento umano su Marte è utile stilare un diagramma di missione che rappresenti le fasi di lancio, viaggio e atterraggio considerando tutti i mezzi necessari.

L’architettura di missione scandisce la missione umana di lunga durata in due fasi principali: una prima fase vede il lancio, nel luglio 2030, del veicolo spaziale Big Falcon Rocket, che verrà utilizzato per il trasporto di tutti gli assets di superficie, utili alla preparazione del sito prima dell’arrivo dell’uomo; la seconda fase consiste nel lancio, nel settembre 2035, del veicolo spaziale SLS BLOCK 1B, che porterà il primo equipaggio di otto persone su Marte, la cui permanenza durerà almeno 680 sol.

Assets di superficie
Durante la prima fase robotica di missione, il veicolo spaziale si occuperà del trasporto dei principali assets di superficie.

Assets mobili
Oltre alla progettazione del primo impianto marziano con i suoi moduli abitativi, il nostro team si è concentrato sulla sequenza di costruzione in cui giocano un ruolo primario i veicoli automatizzati della Bee Family Rovers. Il design è ispirato agli insetti appartenenti alla famiglia delle api ed è composta da otto rovers. In ordine di arrivo, abbiamo:
-lo Spider Explorer, progettato per esplorare e analizzare ogni parte del sito;
-il Bee Flattener, che ha il compito di livellare l'intera area da costruire per evitare irregolarità nel terreno che compromettono sia i rischi per i rovers e per gli esseri umani;
-il Bee Escavator, che ha il compito di scavare e raccogliere lo strato più superficiale della regolite marziana;
-il Bee Transporter, utilizzato per trasportare il materiale attraverso un corpo interno;
-il Bee Processor, che ha il compito di trasformare la regolite in materiale da costruzione;
-il Bee 3D Printer, una stampante 3D con braccio meccanico a tre assi;
-il Bee Lifter, utilizzato per sollevare, trasportare e posizionare gli assets di superficie;
-l’Archimars Pressurized Rover, comodo per tutte le attività di esplorazione di superficie durante l'intero soggiorno dell'equipaggio.
Infrastrutture
Per rendere l’insediamento autosufficiente, verranno portati dalla Terra anche:
-pannelli solari e kilopower, ciascuno di rendimento 10 kW, per la produzione energetica;
-reattore Sabatier, reattore di assorbimento del vapore acqueo (WAVAR) e Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE), tutti elementi per la produzione di acqua e ossigeno: ogni giorno, un membro dell'equipaggio ha bisogno di circa 3,52 kg di acqua e di circa 0,84 kg di ossigeno;
-elementi prefabbricati, per lo stoccaggio di acqua, ossigeno e combustibile.

Elementi prefabbricati dell’habitat
Alcuni dei componenti per la costruzione dell'habitat devono essere fabbricati, assemblati e testati sulla Terra per garantire la precisione e la sicurezza per la vita umana. Questi componenti portati dalla Terra sono:
-moduli abitativi gonfiabili e dispiegabili, elementi modulari che ospitano tutte le attività umane;
-airlocks e suitports, elementi cilindrici dispiegabili che collegano i moduli abitativi tra loro o con l'ambiente esterno;
-finestre, elementi a strati prefabbricati e preassemblati di forma romboidale.

ISRU per la costruzione e tecnologia 3D
Al fine di ridurre la massa e i costi di lancio, la missione prevede un largo impiego delle materie prime locali sia nella produzione di risorse necessarie al sostentamento (acqua, ossigeno, energia) sia nella produzione del materiale da costruzione, ottenuto principalmente dall’impiego della regolite marziana che caratterizza lo strato superficiale della crosta. Da questa materia, viene ricavato l'inchiostro stampabile, costituito da tre componenti principali: la polvere, che occupa il 70% del volume della malta, il legante elastomerico PLGA, che occupa il 25-30% del volume, e una miscela di solventi reperibili in-situ, che occupano la rimanente parte del volume della malta.

In particolare, la miscela di solventi comprende: la maggior parte del diclorometano solvente volatile (DCM); quantità inferiori di 2-butossietanolo (2-Bu); un tensioattivo che mitiga e annulla le interazioni elettrostatiche e steriche tra particelle sospese; dibutileftalato (DBP), un plastificante che migliora le proprietà di flusso del PLGA disciolto e inibisce ulteriormente l'interazione della particella durante il flusso. Dopo l'ispessimento, mediante l’evaporazione dell'eccesso di DCM, si ottiene una consistenza stampabile 3D ad una velocità di deposizione lineare di 1-150 mm/s.

L’intero processo di trasformazione della regolite in malta stampabile o cemento marziano, avviene all’interno del rover Bee Processor e trasferita successivamente nel rover Bee 3D Printer che procede con la stampa della struttura esterna. La tipologia impiegata lavora su un principio additivo rilasciando il materiale su layers. Il rover è dotato di un braccio meccanico regolato attraverso un meccanismo di controllo numerico; quest’ultimo effettua due tipi di movimenti: uno circolare, lungo gli assi x e y, ed uno verticale, lungo l’asse z, in seguito al deposito dei vari strati.
L’ugello, posto all’estremità superiore del braccio, presenta un diametro di 0,14 m ed è riscaldato per poter sciogliere la malta in regolite.
Il progetto

L’insediamento segue uno sviluppo lineare caratterizzato da un asse viario principale che collega le due aree di atterraggio all’habitat e su cui si affacciano l’area di produzione ISRU e l’area di produzione energetica.

L’habitat, in particolare, si compone di un hangar di protezione dell’Archimars Pressurized Rover e di tre moduli abitativi. Ciascuno di questi moduli è di tipologia ibrida: l’impiego di una tipologia di “classe 2”, ossia stampata in 3D, per l’involucro di protezione esterno, integrata con una tipologia di “classe 3”, ossia gonfiabile, per il modulo interno, è risultato essere il più idoneo in termini di risparmio di costi, di tempo e di comfort.

Il progetto dell’involucro esterno del modulo abitativo presenta una sezione ogivale troncata superiormente, a causa della tecnologia costruttiva impiegata, la quale non permette di chiudere adeguatamente l’estremità superiore della cupola e di non generare supporti in fase di stampa.

Una volta iniziato lo scavo dell’area per le fondazioni, si procede con la stampa per layers prima delle stesse, poi della cupola ogivale; l’interruzione della stampa permette di inserire gli airlocks di collegamento e le finestre, disposti su assi di 120° alternati. Una volta terminata la costruzione, il rover Bee Lifter inserisce il modulo abitativo gonfiabile non dispiegato dalla cavità superiore, a sua volta chiusa superiormente da uno skylight di forma troncopiramidale che sigilla ermeticamente l’interno.

Si ottiene, dunque, una struttura autoportante cupolata di circa 800 m3, la cui parete muraria presenta una superficie liscia, nell’intradosso, e una parte esterna modellata, per mezzo di un software di modellazione parametrica, che risponde alla necessità di auto-ombreggiamento e di trattenuta delle polveri che, col tempo, irrigidiscono la struttura. Il carico di incidenza sulle fondazioni da considerarsi sulla superficie marziana è di 77 kN/m2, pari a un terzo della sua valenza sulla Terra.

L’habitat interno di “classe 2” è caratterizzato da una struttura interna in acciaio dispiegabile e da un involucro gonfiabile esterno a forma d’uovo, vantaggioso in termini di flessibilità nella disposizione interna, di gestione delle sollecitazioni termiche e di distribuzione uniforme della pressione interna ed esterna.

Una volta che il modulo gonfiabile chiuso viene calato dall’alto all’interno della cupola attraverso il rover Bee Lifter, inizia il suo gonfiaggio e dispiegamento: alcune pompe d’aria integrate procedono dapprima con la pressurizzazione e dunque con il gonfiaggio dell’involucro in tessuto con aria marziana filtrata; contemporaneamente, attraverso un sistema meccanico automatizzato, si ha il dispiegamento della struttura interna in acciaio a partire dal dispiegamento del core centrale, poi dei solai e dei pilastri del primo livello ed infine dei solai e dei pilastri del secondo livello. Una volta dispiegato, il modulo abitativo interno occupa quasi tutto il volume interno della cupola esterna, con un carico di incidenza sulle fondazioni pari a 36 kN/m2, e si articola su tre livelli collegati tra loro da un core centrale. Il primo livello presenta tre airlocks che permettono il collegamento di ciascun modulo con tre moduli, i quali a loro volta, potranno connettersi con altrettanti moduli abitativi e così via all’infinito.

Dunque, la serialità degli habitat consente all’intero insediamento di espandersi tassellando lo spazio in esagoni che ricordano la forma di un alveare, il quale è al principio del nome e dell’idea fondativa dell’intero progetto Hive Mars.

Davvero congratulazioni e auguri ai giovani neo-laureati per lo splendido lavoro realizzato, noi dell'Associazione Oll Muvi, conosciuti nel mondo come I Love Molfetta, siamo certi che questo sia solo l’inizio di una vita piena di gioia e soddisfazioni, tra di loro anche il giovane "orgoglio molfettese" Alessandro Angione.

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