Le agenzie spaziali stanno cercando nuovi materiali per le future tute spaziali, per proteggere i robot e le strutture fisse che saranno in superficie.

Il problema della polvere lunare

Neil Armstrong riferì, durante un briefing tecnico sullo storico allunaggio del '69: "a poco meno di 30 metri, stavamo iniziando a vedere un foglio trasparente di polvere in movimento che oscurava un po' la visibilità. Man mano che ci abbassavamo, la visibilità continuava a diminuire".

Pete Conrad, comandante dell'Apollo 12, aveva dichiarato: "Penso che probabilmente uno degli aspetti peggiori e più limitanti dell'esplorazione della superficie lunare sia la polvere e la sua aderenza a tutto, indipendentemente dal tipo di materiale, che si tratti di pelle, materiale della tuta, metallo, non importa cosa sia, e la sua azione di attrito su qualsiasi cosa".
"L'integrità delle tute è rimasta buona, ma non ho dubbi che con un paio di EVA in più qualcosa sarebbe cambiato". Secondo le più recenti analisi, si ritiene anche il rover cinese Yutu-1 sia rimasto immobilizzato durante il suo secondo giorno lunare a causa della polvere, che avrebbe bloccato irreparabilmente le sue parti mobili.

Tutti i moonwalker delle missioni Apollo hanno ricordato perfettamente la natura insidiosa ed abrasiva della polvere lunare, nonché l'odore e perfino il gusto (da cui fu coniato l'Apollo aroma, il sapore della Luna). Buzz Aldrin disse che la polvere lunare, che sporcò gli abiti e l'equipaggiamento durante la missione Apollo 11, puzzava "di carbone bruciato o simile alla cenere che si trova in un caminetto, soprattutto se spruzzata con acqua". Harrison "Jack" Schmitt, che andò sulla Luna come membro dell'Apollo 17 nel 1972, sviluppò addirittura una reazione allergica (una sorta di "febbre da fieno lunare") al materiale, che secondo lui, puzzava di "polvere da sparo esaurita".

Gene Cernan - Apollo 17
Crediti: NASA

La polvere lunare viene creata dal costante bombardamento dei micrometeoriti che frantuma il materiale in superficie in particelle finissime. Queste piccolissime particelle però, a differenza di quelle terrestri, non sono mai state levigate dagli agenti atmosferici (vento, acqua…) e, pertanto, hanno i bordi affilati coma la lama di un rasoio. Inoltre, rimane appiccicata alle superfici come avesse la colla perché caricata elettricamente dal vento solare e dai raggi cosmici.

La polvere può oscurare gli obiettivi delle fotocamere, ridurre le prestazioni tecnologiche, distorcere le letture degli strumenti, alterare le proprietà termiche e persino causare guasti alle apparecchiature. Inoltre, se la polvere entra negli habitat, particelle simili al vetro possono depositarsi nei polmoni degli astronauti, creando rischi per la salute. I dati indicano che la sabbiatura che riceverà un avamposto lunare, sarà inaccettabile perché degraderà eccessivamente l'ottica, le celle solari, le superfici di controllo termico e i giunti mobili sui meccanismi.

"A seconda della sua area di origine, la polvere potrebbe avere caratteristiche chimiche e abrasive molto diverse, con proprietà precise a seconda del sito di atterraggio selezionato - che è un altro fattore di preoccupazione", ha osservato l'ingegnere strutturale dell'ESA Shumit Das. “Una delle scoperte chiave delle missioni Apollo è stata gli effetti di abrasione della regolite lunare come il principale fattore limitante nel ritorno sulla Luna. Vogliamo superarlo e creare tute spaziali che potrebbero essere utilizzate per molte più passeggiate spaziali rispetto alle poche eseguite nelle missioni Apollo: l'obiettivo è che resistano fino a 2500 ore di attività in superficie".

La polvere lunare non solo renderà difficili le missioni in superfie ma potrebbe determinare la riuscita o meno di un allunaggio.
Sempre Conrad disse: "la polvere si spingeva fin dove potevo vedere in qualsiasi direzione, crateri completamente cancellati e qualsiasi altra cosa... non potevo dire cosa ci fosse sotto di me. Sapevo di essere su una zona generalmente buona ma dovevo stringere i denti ed atterrare, perché non avrei saputo dire se laggiù ci fosse stato un cratere o no".

"La luna è un corpo a bassa gravità e senz'aria, il che rende gli effetti del pennacchio del razzo molto diversi da quelli che sperimentiamo sulla Terra", ha detto Philip Metzger, scienziato planetario presso lo Space Institute dell'Università della Florida centrale (UCF). "Sulla Terra, le rocce viaggiano più lontane, mentre la polvere viene fermata a poca distanza dalla resistenza atmosferica. Sulla luna, è esattamente l'opposto, con la polvere che va più veloce e più lontana. La polvere può causare gravi danni alle superfici dei materiali se atterriamo troppo vicino ad altri hardware [già in superficie]".Lo scarico del motore del lander lunare soffia polvere, suolo, ghiaia e rocce ad alta velocità e danneggerà tutto ciò che è lì intorno. Negli ultimi 20 anni, i ricercatori hanno sviluppato un quadro coerente della fisica dei gas di scarico dei razzi che soffia sul suolo lunare, "ma esistono lacune significative", ha detto Metzger. "Nessun metodo di modellazione attualmente disponibile può predire completamente gli effetti. Tuttavia, le basi sono comprese abbastanza bene per iniziare a progettare contromisure".

Il lavoro della NASA

L'Agenzia Spaziale Americana sta lavorando su più fronti: oltre a studiare nuovi materiali e tecnologie (alcune sono state testate sulla ISS) atte ad impedire che la polvere lunare si attacchi sulle superficie e a studiare metodi per la rimozione, sta cercando una soluzione per mitigare il problema dei cosiddetti ejecta, ossia tutto il materiale che volerebbe in aria alla minima attività. Si sta esaminando la robotica per il bulldozer e la costruzione di argini, oltre a considerare l'uso di ghiaia o pavimentazioni. Si sta valutando la costruzione di piattaforme di atterraggio in collaborazione con aziende di machine learning per ottenere le massime prestazioni. Bisogna anche tener conto che gli effetti legati ai pennacchi di materiale causati dai motori durante le operazioni allunaggio o di partenza, saranno anche più imponenti di quelli visti durante le missioni Apollo perché i razzi avranno una spinta maggiore.

Ipotesi di piattaforma di atterraggio.
Crediti: Rob Mueller, Swamp Works, NASA, KSC

Michelle Munk, responsabile della capacità dei sistema di ingresso, discesa e atterraggio presso il Langley Research Center della NASA a Hampton, in Virginia, ha ideato quattro telecamere stereo che saranno trasportate a bordo del lander lunare Nova-C di Intuitive Machines. La missione, che fa parte del programma CLPS (Commercial Lunar Payload Services), dovrebbe partire nel 2021 con un Falcon 9 della SpaceX. Il carico utile, chiamato Stereo Cameras for Lunar Plume-Surface Studies (SCALPSS), è in fase di sviluppo e sfrutta la tecnologia delle telecamere utilizzata sul rover Mars 2020 Perseverance. Acquisirà video ed immagini dei pennacchi di materiale lunare alzati durante la discesa per ulteriori analisi.

Il lavoro dell'ESA

Gli ingegneri dell'ESA stanno lavorando in collaborazione con specialisti francesi, tedeschi e l'organizzazione di citizen science dell'Austrian Space Forum, che si concentra sulla ricerca sulle tute spaziali.
L'anno scorso è stato organizzato un seminario per incontrare diversi fornitori di materiali ed ottenere informazioni su quelli più promettenti.

"Nessun materiale può davvero fare il lavoro", ha detto Malgorzata Holynska, ingegnere dei processi e dei materiali dell'ESA. “Il concetto è invece quello di avere una soluzione a strati e definire quale combinazione di strati funzionali funziona meglio, in termini di interazioni fisiche e chimiche con la regolite e come collegarli al meglio". "Stiamo quindi testando questi diversi stack rispetto ai criteri forniti dai nostri colleghi del Directorate of Robotic and Human Exploration. La sfida qui è rendere il test il più robusto possibile".

I test stanno esaminando l'intero ciclo di vita di qualsiasi futura tuta spaziale, incluso il tempo di conservazione tra una passeggiata spaziale ed un altra. Shumit ha spiegato: “Le tute future sarebbero tipicamente immagazzinate sul Gateway in orbita lunare tra le EVA in superficie. Dobbiamo sapere se le guarnizioni della tuta, la gomma o altri elementi non verrebbero degradati dal tempo di stoccaggio, in modo da includere anche test di invecchiamento accelerato, inclusa l'esposizione all'umidità e alle radiazioni ".