Caractérisation expérimentale et numérique de l'adhésion et de la charge électrostatique des poussières lunaires

par Pauline Oudayer

Thèse de doctorat en Ingénierie des Plasmas


  • Résumé

    Les missions Apollo ont fait apparaître un problème jusqu’alors jugé secondaire : la très forte adhésion du régolithe (l’épaisse couche de poussière qui recouvre le sol) aux équipements scientifiques embarqués. Les prochaines missions seront opérée grâce à des robots. Il devient donc nécessaire d’anticiper et de maîtriser le problème qu’est l’adhésion du régolithe lunaire. La thèse a pour objectif d’étudier et caractériser les mécanismes physiques à l’œuvre. La première partie de la thèse a consisté à caractériser la première force d’adhésion, qui est celle de de Van der Waals. Cette force –intrinsèque à tout matériau– s’appliquant entre un grain et un substrat est théoriquement définie mais reste expérimentalement peu caractérisée. Un moteur externe a été dimensionné et adapté au caisson sous vide Dust RegOlith and Particles (DROP) afin de caractériser la force d’adhésion par utilisation de la force centrifuge, supposée identique en magnitude au moment du décollement d’une particule. ). Les résultats de cette première campagne d’essais ont montré que plusieurs facteurs jouaient un rôle important dans l’adhésion : la rugosité et la composition du substrat ainsi que la forme de la particule. Les forces électrostatiques sont les deuxièmes forces responsables de la contamination particulaire observée sur la Lune. Ces dernières résultent de l’interaction entre la poussière et l’environnement spatial et dépendent toutes de la charge électrostatique. Deux phénomènes participent à son établissement sur un grain de poussière : la collection de courant chargeant (vent solaire, photoémission) et le courant de fuite (conduction) à travers les surfaces environnantes. La deuxième partie de la thèse a ainsi porté sur la caractérisation de la charge du régolithe, elle aussi mal caractérisée. L’étude des courants collectés chargeants à l’échelle d’un empilement microscopique de poussière a d’abord été faite via des simulations réalisées avec le logiciel SPIS et a permis de mettre en évidence un phénomène de charge complexe. L’étude du courant de fuite à travers une couche de poussière a été effectuée grâce à deux techniques de mesures de la conductivité : la spectroscopie diélectrique dynamique (SDD) au CIRIMAT et une mesure de courant DC réalisée à l’ONERA. Parmi les différents échantillons étudiés (dont trois sets de billes de verre homogènes et calibrées), la caractérisation de l’écoulement des charges à travers différentes structures (couches, monocouches, …) a été effectuée. Ces deux études conjointes (collection des courants chargeants et caractérisation du courant de fuite) permettent de conclure quant au bilan de courant et donc de charge s’appliquant sur un grain. Par extension, les forces électrostatiques sont mieux caractérisées. Ce bilan, associé aux résultats obtenus par mesure centrifuge permettent de mieux connaître les forces s’exerçant sur un grain à la surface de la Lune et donc de justifier auprès des industriels des paramètres et des solutions limitant la contamination particulaire.

  • Titre traduit

    Experimental and numerical characterization of lunar dust adhesion and electrostatic charge


  • Résumé

    An unanticipated and unexpected problem occurred when astronauts first walked on the Moon : the strong adhesion of lunar regolith (the dust covering the whole surface of the Moon) to every man-made equipment. Next space missions will be guided thanks to robots. It therefore becomes crucial to understand and bring under control the problem of lunar dust adhesion. This Ph.D thesis aims at studying and characterizing the physical phenomena at stake. The first work done had been the characterization of the Van der Waals adhesion force. This force acting between a grain and a substrate is theoretically defined but remains poorly experimentally characterized. An external motor has been implemented within the DROP (Dust RegOlith and Particles) vacuum chamber in order to determine the adhesion force using the centrifugal force, which is hypothesized to be equal to the former when the particle is removed. Results from this first work showed the importance of several parameters: composition and substrate roughness in association with the particle shape. Electrostatic forces are the second forces responsible for dust contamination. They result from the interaction of the dust grain and space environment and are all electrostatic charge dependent. Two main phenomenon act on charge settlement: charging current collection (from solar wind and photoemission) and conduction current through neighboring surfaces. Second work has been charge characterization, as this parameter is also not well known. Study of the charging currents has been made thanks to numerical simulations done on the SPIS software and showed complex charge pattern. Conduction current through a dust layer was made using two methods: broadband dielectric spectroscopy (BDS) measurements done at CIRIMAT and DC-currents at ONERA. Study of different structures such as layers and monolayers of soda-lime glass spheres gave a better understanding of charge leakage. These conjoint studies (collection and leakage current) help determine the charge balance within a grain, and by expansion electrostatic forces. The outcome, combined to previous results obtained using centrifugal method allow to better understand forces acting on a grain at the surface of the Moon. It also enables us to justify to manufactures of parameters and solutions limiting dust contamination.