Critical Technologies and Architectural Research in the Context of Lunar Habitats

Thumbnail Image

Files

isbn9789526421087.pdf (20.74 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2024-12-11
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024

Department

Elektroniikan ja nanotekniikan laitos
Department of Electronics and Nanoengineering

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

76 + app. 54

Series

Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 234/2024

Abstract

Space habitats are currently a topic of interest for space agencies around the globe. As of now, such habitats are operational only in low Earth orbit, but this is expected to change in the near future. An international consortium is in the process of constructing hardware for the planned Lunar Gateway, which will be the first space habitat situated beyond the protective cover of Earth's magnetosphere. Additionally, several nations have plans to establish outposts in the Moon's south pole region. These deep-space environments challenge technology in specific areas, including additive manufacturing, thermal design, sensors, and specialised thin-film coatings. This dissertation presents research findings in the aforementioned areas. Of particular significance is additive manufacturing, given that logistical support for the initial lunar outposts will be limited, making the in situ production of spare parts crucial. To address this issue, this work outlines a path towards additive manufacturing of space-grade parts and evaluates their performance. Importantly, the development of additive manufacturing for use in space will enable the use of locally resourced materials on the Moon. With relevance to thermal systems, this work showcases the performance of a low-emittance copper-coating system enhanced with atomic-layer-deposited aluminium oxide. Such coating systems are vital to provide the required thermo-optical properties necessary for the external surfaces of spacecraft. These surfaces can also fulfill aesthetic roles and thus be useful to architects designing future habitat systems for the Moon. Despite robust thermal systems, spacecraft components are commonly exposed to low and elevated temperatures. Therefore, parts that have been additively manufactured must survive thermal cycling tests designed to screen spacecraft parts. Furthemore, parts made using additive manufacturing can be coated with area-selective atomic layer deposition, and this work explores some of the synergies of this technique. This dissertation represents a multidisciplinary approach – merging technology and architecture – in the context of lunar habitats.

Useiden maiden avaruusjärjestöt osoittavat tällä hetkellä kiinnostustaan avaruushabitaatteja kohtaan. Tällaisia habitaatteja on tällä hetkellä käytössä vain Maan matalalla kiertoradalla, mutta tilanne on muuttumassa nopeasti. Kansainvälinen konsortio rakentaa parhaillaan 'Lunar Gateway' nimistä avaruusasemaa, josta tulee ensimmäinen Maan suojaavan magneettikentän ulkopuolelle sijoitettava avaruushabitaatti. Useat maat suunnittelevat myös tutkimusasemien perustamista Kuun etelä-navalle. Nämä ulkoavaruuden ympäristöt haastavat valikoitua joukkoa teknologiaa, joihin kuuluvat muun muassa materiaalia lisäävä valmistus, lämpösuunnittelu, sensorit ja ohutkalvopinnoitteet. Tässä väitöskirjassa esitetään tutkimustuloksia yllämainittujen teknologioiden osalta. Erityisen merkittävänä teknologiana voidaan pitää materiaalia lisäävää valmistusta (3D-tulostusta), koska logistinen tuki ensimmäisille ulkoavaruuden tutkimusasemille tulee olemaan rajoitettua. Tämän johdosta varaosien ja muiden esineiden valmistaminen paikan päällä tulee olemaan tärkeää huoltovarmuuden takaamiseksi. Tämän teknologian edistämiseksi tämä väitöskirja tuo esille ratkaisuita avaruuskelpoisten osien valmistamiseksi materiaalia lisäävän valmistuksen avulla. Työssä esitetään myös osien suorituskykyä mittaavien testien tuloksia. Materiaalia lisäävällä valmistuksella tulee olemaan tärkeä rooli Kuussa paikallisesti saatavilla olevien materiaalien hyödyntämisessä. Lämpöjärjestelmien osalta tässä työssä esitetään matalan emittanssin omaavan, atomikerroskasvatuksella ja alumiinioksidilla ohutkalvopinnoitetun kuparipinnan suorituskykyarvoja. Tämän tyyppiset pinnoitteet ovat kriittisiä jotta avaruusaluksien ulkopintojen termo-optiset parametrit saadaan vaadittuihin arvoihin. Kyseisten pintojen ulkonäköä voidaan myös hyödyntää esteettisiin tarkoituksiin ja niillä voi siten olla merkittävää arvoa arkkitehdeille heidän suunnitellessaan tulevaisuuden avaruushabitaatteja. Hyvästä lämpösuunnittelusta huolimatta avaruusaluksien osat joutuvat usein kokemaan matalia ja korotettuja lämpötiloja. Myös 3D-tulostettujen osien tulee selvitä lämpösyklaus-testeistä joita käytetään yleisesti avaruusosien testauksessa. 3D-tulosteita voidaan myös pinnoittaa aluevalikoivalla atomikerroskasvatuksella. Tässä työssä tutkitaan tällaisen yhdistelmän mahdollisia synergiahyötyjä. Tämä väitöskirja käyttää monitieteellistä menetelmää yhdistämällä teknologiaa ja arkkitehtuuria – kuu-habitaattien kontekstissa.

Description

Supervising professor

Kallio, Esa, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland

Thesis advisor

Kestilä, Antti, Dr., Finnish Meteorological Institute, Finland
Kallio, Esa, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland

Keywords

space habitats, additive manufacturing, atomic layer deposition, emissivity, space architecture, avaruushabitaatit, materiaalia lisäävä valmistus, atomikerroskasvatus, avaruuden arkkitehtuuri

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Leo Nyman, Antti Kestilä, Paavo Porri, Marko Pudas, Mika Salmi, Rudolf Silander, Ville Miikkulainen, Mikko Kaipio, Esa Kallio, and Mikko Ritala. Constructing spacecraft components using additive manufacturing and atomic layer deposition: First steps for integrated electric circuitry. Journal of Aerospace Engineering, Vol. 34, Issue 5, pp.04021049, , May 2021.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202106027168
    DOI: 10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0001298 View at publisher
  • [Publication 2]: Leo Nyman, Jiˇrí Frolec, Marko Pudas, Tomáš Králík, Vˇera Musilová, and Esa Kallio. Low-emittance copper-coating system using atomic-layerdeposited aluminium oxide. Thin Solid Films, Vol. 749, pp.139179, May 2022.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202204062742
    DOI: 10.1016/j.tsf.2022.139179 View at publisher
  • [Publication 3]: Leo Nyman, Pauli Lehto, Kirsi Kukko, Antti Kestilä, and Esa Kallio. Strength and Poisson’s ratio of fused filament fabrication parts made from carbon filler enhanced PEEK compounds at elevated temperatures. Submitted to Scientific Reports, April 2024
  • [Publication 4]: Antti Kestilä, Marko Vehkamäki, Leo Nyman, Mika Salmi, Jarkko Lohilahti, Timo Hatanpää, Ugo Lafont, and Mikko Ritala. 3D-printed sensor electric circuits using atomic layer deposition. Sensors and Actuators Physical A, Volume 370, pp.115260, May 2024.
    Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202403202851
    DOI: 10.1016/j.sna.2024.115260 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-2108-7

Collections

[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC