L’acqua per proteggere gli astronauti dalle radiazioni cosmiche: il modulo Moon Urchin per la vita sulla Luna

LORENZO ISOLAN: Nello spazio ci sono tante componenti di radiazioni ionizzanti, e quella primaria è la radiazione protonica. I protoni, interagendo con la materia che incontrano, liberano delle particelle secondarie, i neutroni che a loro volta interagiscono prevalentemente con i materiali leggeri. L’idrogeno è l’elemento più leggero e l’acqua, che ne contiene in abbondanza, è uno dei materiali migliori a nostra disposizione per la schermatura dalle radiazioni secondarie. Nella radioprotezione teniamo sempre presente i tre principi cardine: il principio di giustificazione, di ottimizzazione e di limitazione delle dosi. Pensando alla ricerca o alla colonizzazione spaziale, in un certo senso siamo costretti ad accettare il fatto che una dose da radiazioni ionizzanti è inevitabile, perché fanno parte del background ambientale: ma è più importante, come umanità, esplorare lo spazio. Così entra in gioco il secondo principio, di ottimizzazione, meglio noto con l’acronimo inglese ALARA – As Low As (is) Reasonably Achievable, cioè il livello più basso ragionevolmente ottenibile a cui dobbiamo mantenere le radiazioni, una volta preso atto che non si possono eludere. Infine, abbiamo la responsabilità di far rientrare le dosi assorbite nei limiti ammessi.

VALENTINA SUMINI: Inoltre un altro paper, che abbiamo pubblicato congiuntamente nel 2018, riguardava proprio l’uso specifico dell’acqua come elemento schermante, ma per un habitat marziano, W.A.T.E.R.. Sulla Luna non possiamo utilizzare soltanto ghiaccio (che si trova in loco, n.d.a.), a causa delle  micrometeoriti che impattano continuamente il suolo lunare e le eventuali strutture: è importante dunque usare come materiale anche la regolite, presente come terreno lunare, per avere una combinazione ideale di materiali e strategie. Per il progetto su Marte, invece, abbiamo utilizzato esclusivamente l’acqua: attraverso metodi computazionali generativi, è stata creata autonomamente una struttura a rami interconnessi, simile a quelli degli alberi, battezzata Redwood Forest. Da lì deriva tutto il lavoro sulla performance strutturale di questo habitat ramificato, W.A.T.E.R., che viene pressurizzato e all’interno del quale l’acqua viene veicolata attraverso due strati di polietilene borato o vetro al piombo, con uno spessore di un metro d’acqua a fungere da schermatura. Ne abbiamo ricavato una mappatura di come la radiazione si distribuisce all’interno dell’elemento architettonico: si va a identificare una quarta dimensione, il tempo, e quindi nelle aree evidenziate come quelle più a rischio di esposizione sappiamo che bisogna starci il meno possibile, mentre in quelle più protette possiamo passare più tempo. Questo ha un impatto su come andare a considerare la vivibilità e rischi delle aree interne all’habitat, in base alle funzioni che gli astronauti devono svolgere.

VS: L’abbiamo chiamato Radiation Protection by Design, e mi sento di dire che siamo forse gli unici, in questo momento al mondo, ad affrontarlo in quest’ottica. Di solito la protezione da radiazione è sempre vista come una verifica a posteriori. Invece noi, incorporandola già nella fase di design, riusciamo ad ottimizzarla – dal punto di vista strutturale, per l’uso dei materiali – con l’intero habitat. Per la Space Architecture, però, ciò implica cambiare la metodologia di progettazione: non più in modo standard – cioè disegnando il modulo per poi farlo analizzare – ma sviluppato con secondo cicli di ottimizzazione computazionali. Si parla, appunto, di Computational Design: si crea un loop algoritmico in cui, a partire dai parametri della missione – come il numero di astronauti, la durata e la destinazione – viene generato un form-finding in continuo attraverso un workflow interamente computazionale. In questo processo vengono inseriti elementi chiave, come i materiali utilizzati, le prestazioni strutturali e la protezione dagli impatti da micrometeoriti. Attraverso un’ottimizzazione multi-obiettivo, si generano diverse configurazioni di habitat, verificate in base alle specifiche condizioni ambientali e di missione. L’idea è di massimizzare l’uso dei materiali che troviamo sul posto – quello che viene chiamato ISRU, In-Situ Resource Utilization – quindi combinare la regolite lunare con l’acqua e dare vita a diverse strategie per rendere più efficiente in termini di massa la struttura: ridurre la regolite e inserirla soltanto dove è necessario, come se fosse un calcestruzzo lunare, e integrarla con l’elemento dell’acqua, del ghiaccio, in questo caso incorporato anche con le microalghe per realizzare un bioreattore all’interno del modulo.

VS: I design ispirati alla natura, o bio-inspired, sono il fil rouge della mia ricerca sulla Space Architecture. Ho sempre trovato nella natura tante risposte di ottimizzazione, sia per resilienza sia per evoluzione rispetto a dei bisogni. Il riccio di mare internamente è molto fragile, utilizza il guscio per proteggersi e deve resistere alla pressione dell’acqua. Nel nostro caso invece la situazione è opposta, perché fuori non c’è atmosfera e la forza principale proviene dall’interno, in quanto tutti gli ambienti devono essere pressurizzati. Il nostro Moon Urchin vuole riprendere la logica del guscio, ma nel nostro caso l’ispirazione alla natura non è un’imitazione pedissequa: si cerca di capire quali condizioni hanno portato il riccio di mare a evolversi fino a quella forma, per poi replicare un processo analogo rispetto all’ambiente lunare, in cui il Moon Urchin deve proteggersi dalle micrometeoriti e sostenere la pressurizzazione. Abbiamo pensato al tema del modulo – che può interconnettersi con altri – in base agli obiettivi del programma NASA Artemis che prevede un orizzonte temporale relativamente breve per un insediamento permanente sulla Luna, a partire dal 2030.