Lunedì, 06 febbraio 2023 - ore 07.48

Ceramiche pseudo-lunari made in Italy

Una scoperta che suggerisce possibili soluzioni per lo sfruttamento delle risorse disponibili sui corpi celesti destinati a un futuro insediamento umano o robotico

| Scritto da Redazione
Ceramiche pseudo-lunari made in Italy

Un team di ricercatori di università di Cagliari, Consorzio interuniversitario nazionale per la scienza e tecnologia dei materiali (Instm), Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) e Istituto nazionale di ottica (Cnr-Ino), sta studiando l’utilizzo della regolite lunare per la produzione di energia. Il team Giacomo Cao, Roberta Licheri e Roberto Orrù. Il team ha reso noto i primi risultati di questa ricerca nello studio “Spark plasma sintering and optical characterization of lunar regolith simulant” pubblicato su Acta Astronautica e dice che «Aprono a possibili soluzioni per lo sfruttamento delle risorse disponibili su corpi celesti, come il nostro satellite o altri pianeti, per futuri insediamenti umani o robotici».

Per  gli scienziati italiani, rendere sempre più praticabile l’esplorazione e la colonizzazione spaziale, umana e robotica, su corpi planetari come  la Luna, Marte e gli asteroidi non è un’utopia, «Se sarà possibile viaggiare mantenendo leggero l’equipaggiamento sui veicoli spaziali ed utilizzare le risorse disponibili in situ per sopravvivere in ambienti attualmente non favorevoli alla vita umana».

Lo studio descrive i risultati di una ricerca sulla polvere che ricopre la superficie della Luna: la regolite, ed evidenzia che «L’esperimento ha mostrato come è possibile modificare le sue proprietà per ricavare un materiale solido in forma di ceramica capace di raccogliere e accumulare l’energia solare».

Al Cnr spiegano che «Utilizzando un simulante della regolite, i ricercatori hanno applicato una tecnologia chiamata Spark Plasma Sintering per ottenere una ceramica capace di assorbire la radiazione solare per produrre e accumulare calore, che poi potrebbe a sua volta essere trasformato, se necessario, in altre forme utili di energia (ad esempio energia elettrica). Cambiando le condizioni di sinterizzazione, sono riusciti ad ottenere ceramiche con proprietà diverse ottimizzate per i diversi utilizzi». I ricercatori hanno scoperto che «Il processo di sinterizzazione, ossia di cottura della polvere in uno stampo ad alta temperatura, modifica in realtà le proprietà ottiche della regolite, aumentando le sue capacità di assorbimento dell’energia solare e di emittanza termica. La caratterizzazione di queste proprietà ottiche è stata resa possibile dalla presenza nei laboratori del team di strumentazione spettroscopica all’avanguardia. C’è ancora molta strada da fare nell’ambito della ricerca detta “In Situ Resource Utilisation” (IRSU), ma questo studio dimostra che la ricerca italiana è in grado di fornire risposte concrete ai bisogni tecnologici richiesti dalla futura colonizzazione spaziale.

Il Cnr-Ino ha realizzato la caratterizzazione completa delle proprietà ottiche delle ceramiche e della polvere originaria. Dal 2012 è attivo il Laboratorio di Materiali Intelligenti e per l’Energia Solare che dispone di una strumentazione spettroscopica all’avanguardia che permette la caratterizzazione dei materiali in un intervallo di lunghezze d’onda estremamente esteso, dall’ultravioletto al lontano infrarosso. «Il fatto che questo intervallo spettrale sia accessibile senza soluzione di continuità – evidenziano al  Cnr-Ino – rende questo laboratorio unico nel suo genere, attivo sia sul versante della ricerca scientifica d’avanguardia che nel supporto scientifico e tecnologico al mondo delle imprese». Elisa Sani, ricercatrice al Cnr-Ino, spiega come è nata l’idea di usare la regolite per raccogliere energia sulla Luna: «In fondo è un’idea abbastanza semplice, dato che la regolite è il primo materiale che si incontra sulla superficie lunare, abbondante e diffuso. Dalla letteratura scientifica eravamo a conoscenza che la regolite “cotta” in forma di ceramica ha una diversa conducibilità termica rispetto alla polvere originaria. Ci è venuta allora la curiosità di andare a guardare cosa succede alle proprietà ottiche: nessuno finora aveva pensato di usare queste ceramiche come mezzo assorbitore di energia solare. Il gruppo Cnr-Ino lavora da oltre dieci anni su ceramiche innovative per assorbitori solari termodinamici di nuova generazione. Perciò, forti di questo bagaglio di esperienza “terrestre”, abbiamo cercato di estendere l’applicazione ad un ambiente completamente diverso dalla Terra. Va detto anche che la regolite ceramica è molto diversa dalle ceramiche estremamente ingegnerizzate, quasi “progettate a tavolino”, con cui abbiamo lavorato finora, dato che è un materiale eterogeneo, la cui composizione non può essere modificata in maniera semplice, e quindi molto più “rigido”. È stata una bella sfida».

La Sani sottolinea che  la scoperta più importante fatta nell’ambito di questo studio è senza dubbio il fatto che le proprietà della ceramica di regolite cambiano a seconda dei parametri della sinterizzazione: «Questo significa che abbiamo un modo per ovviare, o almeno mitigare, la rigidezza di cui parlavo sopra. E oltretutto permette di ottenere, dalla stessa polvere di partenza, ceramiche ottimizzate per due diversi usi (raccolta/stoccaggio di energia solare)»

Secondo Aldo Dell’Oro, ricercatore dell’Inaf di Firenze ed esperto di piccoli corpi del Sistema solare, e in particolare di asteroidi, della loro evoluzione collisionale e delle loro famiglie dinamiche, i principali risultati di questo studio sono che  «La regolite lunare può essere utilizzata per la costruzione di apparati sulla superficie della Luna per la raccolta e l’immagazzinamento dell’energia solare. In particolare, producendo da essa alcuni tipi di ceramiche speciali, è possibile realizzare componenti sia di dispositivi per la raccolta di energia solare sia di apparati per il suo accumulo, a seconda di alcuni parametri del processo di lavorazione della regolite, come ad esempio la temperatura di “cottura”, che ne modifica sostanzialmente le caratteristiche termiche e ottiche nel modo desiderato».

Dell’Oro ricorda che «La corsa allo spazio, e in particolare alla sua futura colonizzazione, ha bisogno di soluzioni tecnologiche per la costruzione di installazioni che dovrebbero essere realizzate sfruttando il più possibile materiali già disponibili. Si fa riferimento in generale al filone di ricerca detto in situ resource utilization. Si pensi per esempio ai materiali da costruzioni, fonti di energia, ossigeno, altri elementi volatili e così via».

Il ricercatore dell’Inaf spiega anche cosa è la spark plasma sintering«Si tratta di una tecnica di sinterizzazione, ovvero di produzione di oggetti solidi a partire da materiale allo stato di polvere senza ricorrere al riscaldamento fino alla temperatura di fusione. A differenza di altre tecniche, con la spark plasma sintering si ottiene un medesimo risultato attraverso l’azione di correnti elettriche che attraversano il materiale in polvere e lo stampo in cui è contenuto per effetto Joule».

I risultati dello studio avranno anche ricadute “terrestri”: «Le tecniche di sinterizzazione sono già ampiamente utilizzate per la produzione di ceramiche particolari che sono state proposte nella letteratura scientifica per l’utilizzo in sistemi per la produzione di energia elettrica o termica da radiazione solare concentrata. Un possibile uso nelle centrali solari di una certa dimensione per la produzione e distribuzione dell’energia potrebbe essere possibile», conclude Dell’Oro.

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