Utilisation protectrice du régolithe pour l'exploration planétaire et lunaire

Protective Use of Regolith for Planetary and Lunar Exploration (PURPLE)

• Auteur / Autrice : Yulia Akisheva
• Direction : Yves Gourinat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Dumonteil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Gourinat, Yoshifumi Futaana, Susanna Guatelli, Jean-Marc Bordy, Jean-François Bottollier-Depois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Dumonteil, Yoshifumi Futaana

Mots clés

Mots clés contrôlés

Colonies spatiales

Radioprotection

Altérites

Vol spatial

Lune -- Exploration

Mots clés libres

Lune

Vols habités

Régolithe

Radioprotection

Habitats

Moon

Regolith

Radiation protection

Human spaceflight

Habitats

Résumé

Ce travail étudie des solutions intégrées pour la construction des habitacles qui protégeront les astronautes des rayons cosmiques galactiques (Galactic Cosmic Rays, GCR), des événements de particules solaires (Solar Particle Events, SPE), des émissions secondaires et des températures extrêmes en utilisant le régolithe comme principal matériau de protection sur la Lune. Il s'agit d'une approche multidisciplinaire de l'utilisation des régolithes : de la physique des particules aux sciences des matériaux, de la radiobiologie à la conception technique.Les interactions particules-matière entre le régolithe et les rayonnements GCR et SPE sont caractérisées et les émissions secondaires sont étudiées. Des matériaux multicouches sont proposés et testés numériquement à l'aide de codes déterministes et probabilistes (RayXpert® TRAD). Des solutions pour réduire la dose équivalent efficace dans l’ensemble du corps (whole-body effective dose equivalent) sont étudiées. Les prototypes de la conception proposée ont été et seront encore exposés à des rayonnements (ballons stratosphériques, protons et ions lourds dans des installations d'accélérateurs de particules) pour tester et valider les résultats numériques.Les résultats sont des recommandations quantitatives, exprimées en termes techniques, pour une stratégie et des spécifications d'utilisation des régolithes dans les habitats. Grâce à des simulations et des expériences avec des protons et des ions de basse et haute énergie, la structure de l'habitat (épaisseur de la paroi, compacité, composition) est proposée.

Integrated solutions for building habitats that will protect astronauts from Galactic Cosmic Rays, Solar Particle Events, secondary emissions, and temperature extremes using regolith as the main shielding material on the Moon is investigated in this work. This is a multidisciplinary approach to regolith utilisation: from particle physics to materials sciences, from radiobiology to engineering design.Particle-matter interactions between regolith and the GCR and SPE radiations are characterised and secondary emissions are studied. Multilayer materials are proposed and numerically tested using deterministic and probabilistic codes (RayXpert® TRAD). Solutions for the reduction of the whole-body effective dose equivalent are investigated. Prototypes of the proposed design have and will be exposed to radiation (stratospheric balloons, protons, and heavy ions in particle accelerator facilities) to test numerical findings.The output is quantitative recommendations, expressed in engineering terms, for a strategy and specifications of regolith utilisation in habitats. Through simulations and experiments with low- and high-energy protons and ions, the habitat wall structure (wall thickness, compactness, composition) is proposed.