di Acqua come fonte di vita, anche dove la vita non c’è – o almeno, non ancora. Si parla sempre più spesso di missioni e viaggi spaziali, di possibili futuri insediamenti sulla Luna o su Marte, ma senza tenere in considerazione un aspetto a dir poco decisivo: le radiazioni cosmiche, e i loro comprovati effetti nocivi sulla salute umana. Possibile incremento di rischio di tumori e di disturbi circolatori, effetti sul sistema nervoso centrale: sono solo alcuni degli effetti collaterali, ancora in fase di studio, che una prolungata esposizione alle radiazioni come raggi cosmici o vento solare può comportare.
Da qui, la necessità di sviluppare progetti per moduli abitativi destinati allo spazio che possano essere considerati sicuri per gli astronauti: ed è proprio quello a cui stanno lavorando Valentina Sumini, docente al DABC – Dipartimento di Architettura, Ingegneria delle Costruzioni e Ambiente Costruito e Lorenzo Isolan, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale e docente del Master di secondo livello in Radiazioni Ionizzanti e Radioprotezione dell’Università di Bologna ed esperto in Radioprotezione di 3° grado all’Università di Bologna. Nel paper, cofirmato da Marco Sumini, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Bologna (dove insegna Radioisotopes, Ionizing Radiation and Radiation Protection e Plasma Physics for Engineers al corso di Laurea Magistrale in Energetica) l’approccio è rivoluzionario: il design degli spazi viene concepito fin dalla progettazione anche in un’ottica di protezione da radiazioni, integrando diverse competenze e professionalità, impiegando come schermatura contro le radiazioni l’elemento vitale per eccellenza: l’acqua. Dall’ambiente acquatico viene anche l’ispirazione per la forma dei moduli abitativi lunari ideati, nello specifico dal riccio di mare – in inglese “sea urchin”, da cui il nome “Moon Urchin”, “ricci lunari”. Abbiamo incontrato due dei ricercatori, Valentina Sumini e Lorenzo Isolan, per saperne di più su questo straordinario progetto.
Come si è arrivati a pensare all’acqua come schermatura dalle radiazioni?
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.
Il vostro è un approccio innovativo, che prevede il tema della radioprotezione già in fase di progettazione del design. Quali sono i vantaggi di lavorare subito in quest’ottica?
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.
LI: Dal punto di vista della radioprotezione, l’approccio cambia. Si passa dal processo standard di studio “per competenze” quasi indipendenti a cui si affiancava a posteriori la valutazione delle strutture già pensate cercando di rispettarne i vincoli geometrici e strutturali, a sistemi di simulazione, di progettazione e di calcolo che riescono a integrare perfettamente le valutazioni associate al rischio radioprotezionistico con gli aspetti di design, condividendo in tempo reale lo stesso modello computazionale su cui sono effettuate le ottimizzazioni topologiche e strutturali. È un salto quantico per il nostro settore!
Questa progettazione integrata ha permesso di arrivare a un’ottimizzazione dei tempi di esposizione e delle dosi di radiazioni. La forma del dominio occupato dall’acqua identifica quali sono le zone più o meno adatte per l’abitabilità, si crea e si valuta insieme una struttura, e insieme si trova un risultato efficiente sotto ogni aspetto, cosa che in alternativa sarebbe assolutamente impossibile. La semplice ottimizzazione strutturale magari porterebbe a delle zone completamente esposte che non sarebbero vivibili dal punto di vista della radiazione, e lo si scoprirebbe solo a struttura terminata. Così invece si è in grado di verificare se le soluzioni sono efficaci anche sia dal punto di vista economico, sia come vincolo di rischio: quindi avere il livello più basso ragionevolmente ottenibile di dose (ALARA), con una struttura meno costosa e meno rischiosa.
Nelle nostre valutazioni, teniamo conto anche di un aspetto relativamente nuovo e poco considerato, che con la Radiation Protection by Design viene garantito: i materiali utilizzati – che possono essere l’aria pressurizzata all’interno della cupola, la cupola stessa, il terreno su cui si cammina – sono soggetti a fenomeni di attivazione, cioè con la comparsa di isotopi radioattivi, in conseguenza dei flussi di particelle cosmiche. In base a come la struttura evolve, a ogni step di ottimizzazione strutturale, siamo in grado di calcolare se stiamo anche migliorando o peggiorando l’emersione – tecnicamente “build-up” – di questi elementi radioattivi. Se fossi un astronauta, ci terrei a respirare il meno possibile aria che sia diventata radioattiva, o a non avere una cupola radioattiva sulla testa!
Da dove viene, invece, l’idea di ispirarsi proprio al riccio di mare per la forma da dare al modulo lunare Moon Urchin?
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.
La struttura prevede una parte gonfiabile già pronta da trasportare fin lì, e poi l’utilizzo dei materiali che si trovano in loco, la regolite lunare e il ghiaccio. Come verrebbero utilizzati per creare e montare il modulo? È auspicabile una stampa in 3D sul posto per le componenti aggiuntive?
VS: Per gli edifici a uso spaziale sono state codificate tre tipologie. Nella Classe I rientrano i moduli prefabbricati, trasferiti così come sono direttamente dalla Terra all’ambiente di destinazione. Della Classe II fanno parte tutte le tecnologie “deployable”, architetture tessili che possono essere ripiegate all’interno del vettore spaziale, e poi dispiegate, pressurizzate in loco e integrate con materiale del posto, categoria in cui rientra il Moon Urchin. Infine, quelli di Classe III dovrebbero essere costruiti interamente utilizzando materiale locale: cosa non fattibile allo stato attuale, manca la tecnologia per realizzarli. Quindi a oggi le soluzioni stampate in 3D sono utilizzate soltanto per i porti di lancio e atterraggio, per le strade su cui far scorrere i Rover per trasportare i moduli e per strutture protettive per gli strumenti tecnici, per ripararli dai micrometeoriti e dalle radiazioni. Per la Classe II, ci sono diversi studi in corso che prevedono, per esempio, dei robot che utilizzano il laser sintering per sinterizzare e creare dei muri, strato su strato, di regolite lunare, oppure l’utilizzo di gruppi di tanti piccoli robot. Si può pensare di stampare in 3D anche il ghiaccio, ma noi preferiamo associarlo a un involucro, di polietilene o vetro, per preservarlo dalle variazioni termiche. C’è poi il grande tema degli elementi di interlocking: costruire dei mattoncini che possano incastrarsi per creare le interconnessioni tra moduli. Sono diverse le strategie al vaglio delle agenzie spaziali. Stiamo progettando per l’ignoto!