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Progettazione del sistema di gestione dell’aria relativo ad un “modulo serra” per applicazioni spaziali

Nell’ambito dello sviluppo di sistemi di tipo bio-rigenerativo, un “modulo serra” risulta una parte fondamentale all’interno di qualsiasi concetto di base stabile e indipendente per le future missioni spaziali. Infatti all’interno di una serra è possibile (ri)-generare tutte le risorse necessarie agli esseri umani, attraverso la chiusura dei cicli vitali di un habitat: il riciclo dell’acqua, la rimozione di anidride carbonica e la produzione di ossigeno e di cibo.

In questo contesto si colloca il seguente studio di fattibilità coordinato dal centro aerospaziale tedesco DLR e condotto nell’ambito del programma MELiSSA dei progetti di ricerca ESA. L’obiettivo principale di questa attività è la definizione di un “modulo serra” per una base lunare. Tutte le principali parti che costituiscono il modulo serra vengono investigate: la scelta delle piante ed il loro posizionamento, l’estensione della parte coltivata, la fornitura di nutrimento alle piante, il tipo di illuminazione, la gestione dell’aria, la richiesta globale di energia e la struttura del modulo. In questo articolo ci soffermeremo in particolar modo sul sistema che gestisce l’aria all’interno della serra.

La struttura finale del modulo serra, sviluppato al termine dello studio, è costituita da un nucleo centrale rigido e da quattro camere gonfiabili chiamati “petali” (Figura 1). Due corridoi sono destinati al collegamento tra il modulo e la base lunare. Il nucleo centrale contiene la maggior parte dei componenti necessari al funzionamento della serra (impianti e macchinari), mentre i petali costituiscono la zona di coltivazione delle piante. Per garantire un microclima che sia adeguato alla crescita di ciascun tipo di pianta, le coltivazioni vengono differenziate per petalo. Ogni petalo conterrà quindi una diversa specie di pianta ed avrà caratteristiche specifiche di luce, temperatura, umidità e composizione dell’aria.  Le piante selezionate per la coltivazione sono il grano duro, il grano tenero, la soia, barbabietola e lattuga (queste ultime due possono essere coltivate insieme).
 

Per quanto riguarda il sistema di gestione dell’aria, esso viene realizzato con i seguenti obiettivi:

  • Controllare la temperatura, la pressione, l’umidità e la composizione dell’aria all’interno di ciascun petalo
  • Riciclare l’acqua che traspira dalle piante attraverso la condensazione del vapore acqueo in eccesso
  • Rimuovere dall’aria i possibili agenti contaminanti di tipo chimico o biologico 

I principali componenti che costituiscono il sistema di gestione dell’aria sono: ventole, sterilizzatori con lampade UV, umidificatori, scambiatori di calore, filtri per le particelle solide e per la rimozione di specifici contaminanti chimici, sensori per l’analisi della temperatura, pressione e composizione dell’aria. Particolare attenzione viene dedicata alla caratterizzazione ingegneristica dei componenti, selezionandoli in base alle loro caratteristiche tecniche. Per ciascun componente vengono inoltre considerati gli aspetti legati alla massa (per il trasporto terra-luna), alle dimensioni (per la valutazione dell’ingombro) e al consumo energetico (sostenibilità energetica del modulo).

La maggior parte dei componenti selezionati sono posizionati nel nucleo che ha una struttura rigida. I canali per la distribuzione/raccolta dell’aria sono invece posizionati nei petali (Figura 2). Durante il funzionamento standard del modulo, l’aria viene completamente ricircolata separatamente per ciascun petalo. L’aria viene trattata all’interno del nucleo dove assume le caratteristiche desiderate (temperatura, pressione, umidità e composizione). In seguito essa va ad alimentare il petalo passando attraverso delle griglie di distribuzione poste sotto il pavimento. Un singolo canale, collocato nella parte alta del petalo, raccoglie l’aria di scarto che viene poi avviata verso il nucleo per essere nuovamente trattata.

Per la gestione dei livelli di ossigeno e di anidride carbonica all’interno dei petali vengono definiti due tipi di funzionamento (Figura 3):

  • “Nominal mode”. Durante questa modalità (funzionamento standard) ciascun petalo ricircola l’aria e nessuno scambio avviene con la base lunare . In questa fase l’ossigeno prodotto per fotosintesi dalle piante viene accumulato all’interno del petalo. I sensori presenti in ciascun petalo danno un immediato riscontro sulle condizioni climatiche presenti e permettono di raggiungere lo stato desiderato in termini di temperatura, pressione ed umidità.
  • “Breathing mode”. In questa modalità si attiva un collegamento diretto tra l’aria presente nel petalo e quella presente nella base. In questo modo l’aria ricca di ossigeno presente nei petali può fluire verso la base e, viceversa, l’aria carica di anidride carbonica può entrare nel petalo.

    La modalità “Nominal mode” costituisce il funzionamento standard del sistema di gestione dell’aria. L’attivazione occasionale della modalità “Breathing mode” consente di mantenere i livelli di ossigeno e di anidride carbonica in un intervallo di valori prestabiliti e permette di fornire l’ossigeno prodotto dalle piante agli abitanti della base.

    A conclusione del progetto sono state condotte alcune analisi termo-fluidodinamiche su un modello tridimensionale del petalo per controllare le prestazioni del sistema di distribuzione dell’aria. Queste analisi hanno permesso di calcolare la pressione, la temperatura e l’umidità locali dell’aria all’interno dei petali in condizioni di regime. In questo modo alcune raccomandazioni ed osservazioni sulla struttura del modulo e sui componenti del sistema di distribuzione dell’aria sono state raccolte per un futuro sviluppo progettuale.