Design of sensor architecture for monitoring integrity of 3D printed panels for extraterrestrial habitats

This thesis develops within the project GLAMS, Geopolymers for Lunar Additive Manufacturing And Sensing, and have the purpose to study a measurement advice that is capable of detecting a superficial or inner damage of a 3D-printed panel, generated with the additive manufacturing process. The panel could be damage because of an hypervelocity impact with a primary debris, which comes from space, or a secondary debris, which is an ejected particle from a primary impact on the lunar surface, but the last type of debris is not fast enough to escape the Moon’s gravitational field (2.4 km/s). These particles follow an elliptical trajectory around the Moon for tens of chilometers and could impact against an astronaut during extra-vehicular activity or against the "moon-house", so against the structural panel mentioned before. This panel is made of a geopolymeric mixture and foaming agents, to best simulate a possible panel formed by regolith lunar. For the purpose of the thesis, different types of measurement adviceswere examined, including capacitive sensors, resistive sensors, sensor for temperature measurement, electro-resistive sensors, the use of an Event Camera to visualize the event, and finally vibration sensors; the project is proceeding during next months, so as first material model concrete are used for simulation the impact event, both for projectile and for the target. From impact simulations, carried out using Ansys AUTODYN software, it was possible to eliminate the temperature sensors. In fact, the simulations have shown that the temperature is not easily measurable around the point of impact, both for primary and secondary impacts. In fact an impact between a plate and a micro-meteorite, the debris, with a size of hundreds of micro-meters produces a high temperature variation at the point of impact, however it decreases rapidly a few tens of millimeters around the point of impact. So, it is not possible to insert a temperature sensor so near to the impact point to be able to measure the temperature variation. The sensors chosen are: - ERI (Electrical Resistivity Imaging) technology: this technology is used in civil sector to detect any fractures in the ground, in fact using a grid of electrodes embedded in the ground it is possible to measure the potential difference with a given current input. With a change in electrical resistivity in the presence of a different medium, for example the air inside a fracture, the difference in values for the potential is possible be obtained and, through use of a dedicated software, a visual feedback is obtained by generating an image (1D, 2D or 3D) of that area; - resistive sensors: its operation is based on the presence of a grid of conductive lines, whose mutual distance is related to the resolution of the system. A control system verifies the correct passage of current through the lines; if a line is broken, there is no current flow and it gives as output the occurrence of an impact; - Event Camera: This type of camera detects the difference in light intensity between consecutive events, so it does not generate photos like traditional cameras. The variation is uploaded into a binary system, hence the single pixel is sent as information. It is possible to add to the main mixture some pigments, luminescent substances or pyrotechnic components in order to amplify the flash generated by the impact. In this way it is possible to obtain a set of information on the event or not of the impact, as well as the actual degradation of the structural panel, inside and outside. The astronaut is able to understand the extent of the damage, thus to be able to carry out maintenance work or, in the worst case scenario, to replace the structural panel when it is too damaged or perforated.

Questa tesi si sviluppa all’interno del progettoGLAMS, Geopolymers for Lunar Additive Manufacturing And Sensing e ha lo scopo di trovare un sensore di misura che sia in grado di dare dei feedback quando viene riscontrato un danneggiamento superficiale di un pannello stampato attraverso l’utilizzo dell’additive manufacturing, oppure quando c’è il riscontro di un danno interno al pannello. Può essere danneggiato a causa di un impatto iperveloce di un detrito primario, ovvero che proviene dallo spazio, oppure di un detrito secondario, cioè materiale eiettato da un impatto primario con la superficie della Luna. Il pannello strutturale è composto da una miscela di geopolimeri ed agenti schiumanti, in modo tale da simulare al meglio un possibile pannello formato da regolite lunare. Per lo scopo della tesi sono state vagliate varie tipologie di strumenti di misura, tra cui i sensori capacitivi, sensori resistivi, sensore per la misurazione della temperatura, sensori elettro-resisitivi, l’utilizzo di una Event Camera per visualizzare l’evento, infine sensori di vibrazioni; inoltre il progetto è in fase di sviluppo, per cui il materiale utilizzato come modello dell’evento di impatto è il calcestruzzo, sia per quanto riguarda l’elemento impattante sia per il materiale del pannello stesso. Dalle simulazioni di impatto, effettuate utilizzando il software Ansys AUTODYN, è stato possibile eliminare l’utilizzo dei sensori di temperatura. Infatti le simulazioni hanno mostrato che la temperatura non è facilmente misurabile nell’intorno del punto di impatto, sia per impatti primari sia per quelli secondari. Infatti un impatto tra una piastra ed un micro-meteorite, ovvero il detrito, grande qualche centinaio di micro-metri produce una elevata variazione di temperatura nel punto di impatto, però diminuisce drasticamente già a qualche decina di millimetro di distanza. Non è possibile inserire dei sensori di temperatura così vicini da poter misurarne la variazione. I sensori scelti sono: - tecnologia ERI (Electrical Resistivity Imaging): questa tecnologia viene utilizzata in ambito civile per rilevare eventuali fratture nel suolo, infatti utilizzando una griglia di elettrodi inseriti nel terreno è possibile misurare la differenza di potenziale con una data corrente di ingresso. Con una variazione di resistività elettrica in presenza di un mezzo differente, per esempio l’aria all’interno di una frattura, è possibile ottenere dei valori diversi per la differenza di potenziale e attraverso l’utilizzo di un software dedicato si ottiene un riscontro visivo generando un’immagine (1D, 2D oppure 3D) di quell’area; - sensori resistivi: il funzionamento si basa sulla presenza di una griglia di linee conduttive, la cui distanza reciproca è correlata alla risoluzione del sistema. Un sistema di controllo verifica il corretto passaggio di corrente attraverso le linee conduttive; se una linea viene rotta, non c’è passaggio di corrente e dà come uscita l’avvenimento di un impatto; - Event Camera: questo tipo di camera rileva la differenza di intensità luminosa tra istanti consecutivi, per cui non genera fotografie come le macchine fotografiche tradizionali, quindi la variazione viene tradotta in sistema binario, per cui il singolo pixel è inviato come informazione. Si è pensato di aggiungere al composto principale dei pigmenti, delle sostanze luminescenti oppure delle componenti pirotecniche in modo da amplificare il flash generato dall’impatto. In questo modo è possibile ottenere una terna di informazioni sull’avvenimento o meno dell’impatto, nonchè l’effettivo deterioramento subito dal pannello strutturale esternamente ed internamente. L’astronauta è in grado di capire l’entità del danno, così da poter effettuare lavori di manutenzione oppure, nel peggiore dei casi, la sostituzione del pannello strutturale quando troppo danneggiato o perforato.