Critical Technologies and Architectural Research in the Context of Lunar Habitats

Leo Nyman

Critical Technologies and Architectural Research in the Context of Lunar Habitats

Julkaisun otsikon käännös: Kriittiset teknologiat ja arkkitehtoninen tutkimus Kuun asumusympäristöjen kontekstissa

Tutkimustuotos: Doctoral Thesis › Collection of Articles

Abstrakti

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.

Julkaisun otsikon käännös	Kriittiset teknologiat ja arkkitehtoninen tutkimus Kuun asumusympäristöjen kontekstissa
Alkuperäiskieli	Englanti
Pätevyys	Tohtorintutkinto
Myöntävä instituutio	Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja	Kallio, Esa, Vastuuprofessori Kestilä, Antti, Ohjaaja Kallio, Esa, Ohjaaja
Kustantaja	Aalto University
Painoksen ISBN	978-952-64-2107-0
Sähköinen ISBN	978-952-64-2108-7
Tila	Julkaistu - 2024
OKM-julkaisutyyppi	G5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

avaruushabitaatit
materiaalia lisäävä valmistus
atomikerroskasvatus
avaruuden arkkitehtuuri

Pääsy asiakirjaan

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

Aalto Electronics-ICT
Ryynänen, J. (Manager)
Elektroniikan ja nanotekniikan laitos
Laitteistot/tilat: Facility
Design Factory
Björklund, T. (Manager)
Energia- ja konetekniikan laitos
Laitteistot/tilat: Facility
OtaNano
Rissanen, A. (Manager)
Aalto-yliopisto
Laitteistot/tilat: Facility

Siteeraa tätä

@phdthesis{b456ccee4c8d401ea8f4588afe21a928,

title = "Critical Technologies and Architectural Research in the Context of Lunar Habitats",

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.",

keywords = "space habitats, additive manufacturing, atomic layer deposition, emissivity, space architecture, avaruushabitaatit, materiaalia lis{\"a}{\"a}v{\"a} valmistus, atomikerroskasvatus, avaruuden arkkitehtuuri, space habitats, additive manufacturing, atomic layer deposition, emissivity, space architecture",

author = "Leo Nyman",

year = "2024",

language = "English",

isbn = "978-952-64-2107-0",

series = "Aalto University publication series DOCTORAL THESES",

publisher = "Aalto University",

number = "234",

address = "Finland",

school = "Aalto University",

}

TY - BOOK

T1 - Critical Technologies and Architectural Research in the Context of Lunar Habitats

AU - Nyman, Leo

PY - 2024

Y1 - 2024

N2 - 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.

AB - 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.

KW - space habitats

KW - additive manufacturing

KW - atomic layer deposition

KW - emissivity

KW - space architecture

KW - avaruushabitaatit

KW - materiaalia lisäävä valmistus

KW - atomikerroskasvatus

KW - avaruuden arkkitehtuuri

KW - space habitats

KW - additive manufacturing

KW - atomic layer deposition

KW - emissivity

KW - space architecture

M3 - Doctoral Thesis

SN - 978-952-64-2107-0

T3 - Aalto University publication series DOCTORAL THESES

PB - Aalto University

ER -

Critical Technologies and Architectural Research in the Context of Lunar Habitats

Abstrakti

Tutkimusalat

Pääsy asiakirjaan

Sormenjälki

Laitteet

Aalto Electronics-ICT

Design Factory

OtaNano

Siteeraa tätä