Development of New Space-Oriented Polymer-Based Materials: Investigating their Applications and Behaviours in Simulated Space Environments [Sviluppo di Nuovi Materiali A Base Polimerica per Utilizzi in Ambito Spaziale: Studio Delle Loro Applicazioni e Comportamento in Ambiente Spaziale Simulato]

La frontiera dell'esplorazione umana si sta espandendo oltre la Terra, rendendo sempre più urgente il progresso della scienza dei materiali al fine di sostenere la vita e le operazioni nello spazio. Con missioni verso la Luna, Marte e oltre, i materiali impiegati nella costruzione di habitat extraterrestri, veicoli spaziali e dispositivi devono essere altamente resistenti, efficienti e capaci di affrontare le condizioni estreme dello spazio. Progetti ambiziosi, come il programma Artemis della NASA, che punta a ristabilire una presenza umana sulla Luna entro il 2030, sottolineano l'urgenza e la portata degli attuali obiettivi di esplorazione spaziale. Questo sforzo richiede lo sfruttamento delle risorse lunari, oltre alla capacità di comprendere e superare le sfide dell'ambiente ostile lunare. In questo contesto, la Stazione Spaziale Internazionale (ISS), situata in bassa orbita terrestre (LEO), svolge un ruolo fondamentale come piattaforma sperimentale per la vita a lungo termine nello spazio. La ISS funge da laboratorio per la ricerca biologica, fisica e chimica in condizioni di microgravità, fornendo dati unici su come gli esseri umani possano vivere e lavorare nello spazio. Inoltre, la ISS presenta anche sfide significative legate alla sostenibilità della vita nello spazio, tra cui le limitazioni di risorse e l'esposizione a pericoli ambientali specifici dell'ambiente spaziale. Infatti, vivere nello spazio comporta l’utilizzo di sistemi complessi che consentono la sopravvivenza degli astronauti. Tra questi, i sistemi di purificazione e riciclo dell'aria e dell'acqua sono fondamentali per gestire le limitate risorse presenti a bordo della stazione. Tra i contaminanti presenti nella ISS vi sono quelli di origine biotica, generati dagli esseri umani, e quelle xenobiotica rilasciate dalle apparecchiature. La gestione di questi contaminanti è essenziale per proteggere la salute dell'equipaggio e mantenere l'integrità del sistema. I tradizionali processi di disinquinamento coinvolgono più fasi che comprendono filtrazione, sterilizzazione e trattamento chimico. Questa tecnologia è vitale non solo per le attività attuali sull’ISS, ma risulta essere potenzialmente utile al fine di sostenere la vita sulla Luna o su Marte. Tuttavia, nonostante l'innovatività dei sistemi attuali, le condizioni uniche dello spazio, come l'assenza di gravità e la presenza di radiazioni ionizzanti, pongono sfide operative significative. Pertanto, la sostenibilità delle missioni spaziali a lungo termine dipenderà dallo sviluppo di sistemi di supporto vitale più autonomi e resilienti, indispensabili alla durata prolungata delle missioni spaziali. Nell’ambito della decontaminazione dei fluidi (acqua ed aria) a bordo della ISS, la fotocatalisi rappresenta una soluzione promettente. Ispirata a processi naturali come la fotosintesi, la fotocatalisi è stata sfruttata sulla Terra per fotossidare gli inquinanti organici sfruttando l'energia solare. Tuttavia, l'esigenza di utilizzare luce ultravioletta presenta delle limitazioni, poiché in ambienti confinati in cui è prevista la presenza costante di esseri umani, l'esposizione alle radiazioni UV non risulta possibile a causa degli effetti collaterali sugli esseri viventi. Considerando l’ambiente extraveicolare, l'esposizione alle radiazioni ad alta energia (raggi cosmici galattici e vento solare) rappresenta uno dei fattori più critici che astronauti e apparecchiature devono affrontare durante le missioni spaziali. Alfine di mitigare gli effetti del vento solare e dei raggi cosmici nelle aree extraveicolari, l’attività di ricerca è proiettata allo sviluppo di sistemi di protezione passivi. Nei fatti, nonostante le avanzate tecnologie nella produzione dei veicoli spaziali , una schermatura completa dalle radiazioni ad alta energia non è attualmente possibile. I materiali attualmente utilizzati possono soltanto attenuare gli effetti dell'esposizione alle radiazioni. I raggi cosmici, con la loro elevata capacità di penetrazione, possono attraversare la maggior parte dei materiali schermanti odierni, generando particelle secondarie che contribuiscono ad aumentare la dose totale di radiazioni assorbita dagli astronauti. Per questo motivo, il monitoraggio delle radiazioni risulta essere un fattore essenziale. Attualmente, le agenzie spaziali utilizzano tecnologie avanzate per monitorare costantemente l'esposizione alle radiazioni, utilizzando dosimetri che registrano l’esposizione ai raggi UV, X, gamma, ai neutroni e alle particelle ad alta energia. Tuttavia, c'è un notevole interesse nello sviluppo di nuovi metodi più efficienti per rilevare l'esposizione alle radiazioni. Infine, considerando le lunghe esposizioni dei veicoli, e dei materiali polimerici loro costituenti, agli ambienti spaziali, risulta fondamentale studiare i meccanismi di degradazione dei polimeri esposti a condizioni extraterrestri. Il tutto, al fine di sviluppare dei materiali passivizzanti alle specie ionizzanti e agli ioni ad alta energia. Alla luce di tutte queste considerazioni, la presente tesi di dottorato affronta in modo sistematico le due principali sfide del prossimo futuro nell’ambito dei materiali per lo spazio: lo sviluppo di nuovi materiali funzionali da impiegare in ambienti spaziali e la valutazione della loro durabilità nello spazio. La presente attività scientifica è strutturata in due parti, ciascuna delle quali è dedicata a un aspetto cruciale della scienza dei materiali orientata allo spazio. La prima sezione è focalizzata sullo sviluppo e sulla caratterizzazione strutturale e funzionale di innovativi nanocompositi fotocatalitici a base polimerica, concepiti specificamente per applicazioni spaziali. In particolare, sono stati sviluppati materiali fotocatalitici in grado di operare sotto luce visibile, evitando l’impiego della luce UV, solitamente necessaria per tali processi. Le principali innovazioni riguardano lo sviluppo di nano-fotocatalizzatori termoplastici fotosensibilizzati (Capitolo 2) e fotocatalizzatori totalmente a base di carbonio (Capitolo 3). Questi materiali sono stati progettati per degradare i composti organici nocivi presenti nell'aria e nell'acqua, trasformandoli in acqua e CO2, mediante processi ossidativi fotocatalitici attivati dalla luce visibile. Lo sviluppo di questi materiali coinvolge nuovi approcci sintetici utili ad incorporare nano-fotocatalizzatori all'interno di matrici termoplastiche. Per analizzare le caratteristiche e le funzionalità di questi compositi, sono state ampiamente impiegate tecniche di spettroscopia, microscopia elettronica e analisi di superficie. Inoltre, un aspetto innovativo di questa ricerca riguarda lo sviluppo di sensori di radiazioni UVC basati sul fotocromismo di nanomateriali a base di ossido di tungsteno incorporati dentro matrice polimerica (Capitolo 4). Detti materiali possono essere integrati nelle strutture dei veicoli spaziali o persino applicati sugli indumenti per uso intra- ed extraveicolari usati dagli astronauti. Questi dispositivi hanno potenziali applicazioni anche sulla Terra, in ambienti con elevati rischi di esposizione ai raggi UV, dove i dispositivi elettronici tradizionali non sono utilizzabili. La seconda parte della tesi è incentrata sulla valutazione dei materiali sviluppati nella prima parte della tesi, quando esposti a condizioni spaziali simulate. Sono stati condotti test progettati per imitare l'esposizione all'ossigeno atomico in bassa orbita terrestre (Capitolo 5) e al vento solare nello spazio profondo (Capitolo 6). Le risposte dei materiali a questi fattori di stress sono state studiate in modo approfondito, con l'obiettivo di analizzare i loro percorsi di degradazione chimica. Inoltre, sono state esplorate le strategie per proteggere i polimeri (Capitolo 7) dalle particelle ad alta energia (presenti nello spazio profondo) e dall'ossigeno reattivo (presente nell'orbita terrestre bassa), in cui l'efficacia di diversi materiali compositi e rivestimenti è stata valutata attraverso una serie di test di resistenza in condizioni spaziali simulate. L'obiettivo di questa tesi è stato quello di contribuire in modo significativo al campo della scienza dei materiali orientati al loro utilizzo in ambito spaziale. Lo sviluppo dei nuovi materiali qui studiati, non solo risponde alle severe esigenze dei viaggi spaziali, ma offre anche soluzioni innovative per rendere sostenibile la vita in futuri habitat extraterrestri. Inoltre, questa ricerca vuole offrire spunti allo sviluppo di materiali che potrebbero essere ottenuti direttamente nello spazio, riducendo la necessità di loro trasporto dalla Terra. Infine, i materiali sviluppati in questa tesi hanno potenziali implicazioni anche sulla Terra, specialmente nel contesto della gestione ambientale e dell'innovazione tecnologica. Ad esempio, i materiali fotocatalitici potrebbero migliorare i sistemi di purificazione dell'aria e dell'acqua in ambienti non convenzionali, come strutture sotterranee o aree caratterizzate da alti livelli di inquinamento e da un accesso limitato ad acqua pulita, dove sono presenti rischi significativi per la salute e l'ambiente. Inoltre, lo sviluppo di materiali capaci di schermare dalle radiazioni ad alta energia o di monitorare l'esposizione alle radiazioni potrebbe portare a progressi importanti in ambito medico e industriale. In particolare, potrebbero migliorare l'equipaggiamento protettivo e i sensori per lavoratori che operano in ambienti con elevate dosi di radiazioni ionizzanti, come centrali nucleari o laboratori in cui vengono utilizzate sorgenti UV o raggi X.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2025

Author dc:creator

• MEZZINA, LIDIA

Contributors dc:contributor

• MINEO, PLACIDO
• COMPAGNINI, Giuseppe Romano

• Atomic Oxygen
• Photocatalysi
• Solar Wind
• Space-Oriented Material
• Nanocomposite
• Polymers
• Polimeri
• Nanocompositi
• Materiali per uso spaziale
• Vento Solare
• Fotocatalisi
• Ossigeno Atomico

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:NON PUBBLICO - Accesso privato/ristretto
• license uri:iris.PRI01

Language dc:language

eng

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/685313

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/685313