Diseño y simulación de un harnero vibratorio para su aplicación en ambiente lunar.

Abstract

La minería lunar es un proceso necesario para el establecimiento de bases de operaciones y colonias humanas en nuestro satélite natural, ya que los altos costos de transporte desde la Tierra a la Luna obligan a utilizar los recursos encontrados in situ. Estos recursos pueden ser utilizados para la fabricación de estructuras y maquinaria, como fuente de energía y de oxígeno, estando este último elemento asociado a los componentes del regolito lunar. El objetivo de este proyecto es evaluar la aplicación de un harnero vibratorio capaz de trabajar en ambiente lunar y con minerales lunares, validado con simulaciones a través del Método de Elementos Discretos (DEM). Para ello se debe caracterizar la granulometría del regolito lunar, así como describir sus propiedades físicas de interés para la simulación, para luego cuantificar mediante simulaciones el desempeño de harneros vibratorios y posteriormente decidir la configuración y geometría de la malla del harnero. Finalmente, se realizará un estudio de la misión de transporte del harnero desde la Tierra hasta la Luna. Para la caracterización del regolito se recurre a la bibliografía existente, obteniéndose la granulometría de distintas muestras de regolito disponibles gracias a las distintas misiones de exploración lunar realizadas hasta la fecha. Conocidas las propiedades de regolito, se procede a evaluar la eficiencia de un modelo harnero disponible de estudios previos en distintas configuraciones, mediante el estudio de la variación de la eficiencia de harneado a diferentes valores de amplitud vibratoria, frecuencia de excitación e inclinación de malla. Una vez se identifican los efectos de las distintas variables en la eficiencia del proceso de harneado, se estudia una malla de apertura aproximada de 100 micras, con partículas que se ajusten a la granulometría de una muestra de regolito, obteniendo una eficiencia de 0.769. Adicionalmente, se analiza la factibilidad de enviar un harnero con una capacidad de procesar 3 toneladas métricas por hora de regolito, para lo cual se estudia una misión de alunizaje desde una órbita de inyección trans lunar, según las capacidades actuales del Sistema de Lanzamiento Espacial de la National Aeronautics and Space Administration, basados en los estudios de una posible misión tripulada a la Luna. Se concluye que es posible transportar hacia la Luna un harnero con la capacidad mencionada anteriormente, pues su masa máxima no supera el límite estimado de una misión de alunizaje, y que este harnero tendría una eficiencia de al menos un 76.9%. No se logra establecer una relación entre las variables estudiadas y la eficiencia de la malla propuesta, para lo que se requiere un estudio más profundo.

Lunar mining is a necessary process for the establishment of operational bases and human colonies on our natural satellite, as the high costs of transportation from Earth to the Moon necessitate the utilization of in-situ resources. These resources can be used for the manufacturing of structures and machinery, as a source of energy and oxygen, with the latter being associated with lunar regolith components. The objective of this project is to assess the application of a vibrating screen capable of operating in a lunar environment with lunar minerals, validated through simulations using the Discrete Element Method (DEM). To achieve this, it is necessary to characterize the particle size distribution of lunar regolith, as well as describe its physical properties relevant for simulation. Subsequently, the performance of vibrating screens will be quantified through simulations, leading to the determination of the configuration and mesh geometry of the screen. Finally, a study will be conducted on the transport mission of the screen from Earth to the Moon. For the characterization of regolith, existing literature is consulted, from which the particle size distribution of different regolith samples is obtained, thanks to various lunar exploration missions conducted to date, was obtained. With the properties of regolith known, an evaluation of the efficiency of an available screen model from previous studies was carried out in different configurations, through a study on the variation in screening efficiency at different values of vibration amplitude, excitation frequency, and mesh inclination. Once the effects of the different variables on the screening process efficiency were understood, a mesh with an approximate opening of 100 microns is studied, using particles that conform to the particle size distribution of a regolith sample, obtaining an efficiency of 0.769. In addition, the feasibility of sending a screen with a capacity to process 3 metric tons per hour of regolith is analyzed. This involves studying a landing mission from a trans-lunar injection orbit, based on the current capabilities of the National Aeronautics and Space Administration's Space Launch System, as per studies for a possible manned mission to the Moon. It is concluded that it is feasible to send a screen with the aforementioned capacity, as its maximum mass does not exceed the estimated limit of a landing mission, and this screen would have an efficiency of 76.9%. A direct relationship between the studied variables and the efficiency of the proposed mesh could not be established, indicating the need for further in-depth study.