Investigation of vibrational conveyor parameters for the transport of lunar regolith

This thesis explores one possible application of the concept of In Situ Resource Utilization (ISRU) for space exploration: the transport and handling of regolith through the use of vibratory conveyors. A vibratory conveyor with piezoelectric actuators was identified as being the ideal setup for use on the surface of the Moon, due to its low-power requirements and low number of moving part. An experimental campaign was conducted on the model, investigating the effect of vibration amplitude, frequency, and trough inclination on the bulk material flow, constituted of monosized glass sphere. The results showed a more than linear relationship between frequency and transport time, highlighting the effect of resonance in the conveyor discharge flow. A Discrete Element Method (DEM) simulation was developed as a digital twin of the setup. The model was validated with both analytical and experimental results showing good accordance with real-life experiments, with the model being able to predict the evolution of mass flow and transport speed due to the variation of actuation frequency. The DEM model was then used to obtain new results in the low-gravity environments of the Moon and Mars, resulting in the observation of a much higher predicted mass flow than what observed under Earth's gravity. This thesis aims to provide a basis for the development of a more advanced simulation setups to help in the design of vibratory conveyors specialized for ISRU on extraterrestrial environments.

Questa tesi si focalizza su una possibile applicazione pratica del concetto di In Situ Resource Utilization (ISRU) nell'ambito dell'esplorazione spaziale: il trasporto e la gestione della regolite lunare tramite l'utilizzo di trasportatori vibranti. I trasportatori vibranti, attuati tramite attuatori piezoelettrici, sono stati identificati come soluzione ideale per future operazioni logistiche sulla superficie lunare, grazie al loro basso consumo energetico e al ridotto numero di componenti mobili soggetti all'erosione causata dalla regolite. Al fine di comprendere le capacità di trasporto di tali strumenti, è stata condotta una campagna sperimentale su un modello in scala, studiando le variazioni del comportamento di trasporto del materiale in base all'ampiezza e alla frequenza di vibrazione, nonché all'inclinazione del trasportatore stesso. I test sono stati effettuati utilizzando un particolare materiale granulare composto da sfere di vetro di dimensioni uniformi e conosciute, al fine di limitare la variabilità sperimentale. I risultati hanno dimostrato una relazione non lineare tra la frequenza di vibrazione e il tempo totale di trasporto per una determinata quantità di materiale, evidenziando l'effetto positivo della risonanza meccanica tra l'attuatore e i giunti elastici sul flusso di scarico del trasportatore. Allo stesso tempo, è stato sviluppato un modello numerico basato sul Discrete Element Method (DEM) per simulare il comportamento del setup sperimentale. Il modello numerico è stato implementato utilizzando il linguaggio di programmazione scientifica ad alte prestazioni Julia e successivamente validato utilizzando sia risultati analitici che sperimentali, mostrando una buona corrispondenza con i risultati ottenuti dagli esperimenti. La simulazione è stata in grado di predire con un buon livello di precisione l'evoluzione del flusso di massa trasportato e della velocità di trasporto in base alla variazione della frequenza di vibrazione. Una volta calibrato e validato, il modello DEM è stato utilizzato per ottenere nuovi risultati sulle prestazioni di tali sistemi in ambienti a bassa gravità, come la superficie della Luna e di Marte. In generale, per tali ambienti, è stata osservata una previsione di flusso di massa molto più elevata rispetto a quella prevista in gravità terrestre, a causa delle diverse interazioni tra le particelle, le vibrazioni di attuazione e l'accelerazione di gravità locale. Questa tesi si propone di fornire una base per lo sviluppo ulteriore di simulazioni più avanzate, che possano fungere da strumenti di supporto nella progettazione di trasportatori vibranti specializzati per l'ISRU in ambienti extraterrestri.