Avant la fin de cette décennie, la NASA prévoit de renvoyer des astronautes sur la Lune pour la première fois depuis l'ère Apollo. Mais cette fois, grâce au programme Artemis, il ne s'agira pas d'une affaire d'« empreintes et de drapeaux ».

Avec d'autres agences spatiales et partenaires commerciaux, l'objectif à long terme est de créer l'infrastructure qui permettra un « programme soutenu d'exploration et de développement lunaire ». Si tout se passe comme prévu, plusieurs agences spatiales auront établi des bases autour du bassin Pôle Sud-Aitken, ce qui ouvrira la voie aux industries lunaires et au tourisme.

Pour que les humains puissent vivre, travailler et mener diverses activités sur la Lune, des stratégies sont nécessaires pour faire face à tous les dangers, le moindre n'étant pas le régolithe lunaire (ou « poussière de lune »). Comme les astronautes d'Apollo l'ont appris, la poussière de lune est irrégulière, adhère à tout et peut causer une usure importante des combinaisons, de l'équipement, des véhicules et de la santé des astronautes.

Dans une nouvelle étude réalisée par une équipe d'ingénieurs de Texas A&M, le régolithe présente également un risque de collision lorsqu'il est projeté par des panaches de fusée. Étant donné les nombreux vaisseaux spatiaux et atterrisseurs qui transporteront des équipages et des marchandises sur la Lune dans un avenir proche, il s'agit d'un danger qui mérite une attention particulière.

L'étude a été menée par Shah Akib Sarwar et Zohaib Hasnain, titulaire d'un doctorat. Étudiant et professeur adjoint (respectivement) au département de génie mécanique J. Mike Walker '66 de la Texas A&M University. Pour leur étude, Sarwar et Hasnain ont étudié les collisions particule-particule pour le régolithe lunaire en utilisant la méthode de la « sphère molle », où les équations de mouvement de Newton et un modèle de force de contact sont intégrés pour étudier la façon dont les particules entreront en collision et se chevaucheront.

Cela la distingue de la méthode des « sphères dures », qui modélise les particules dans le contexte des fluides et des solides.

Alors que le régolithe lunaire va des minuscules particules aux grosses roches, le composant principal de la « poussière de lune » est constitué de fins minéraux silicatés d’une taille moyenne de 70 microns. Ceux-ci ont été créés sur des milliards d'années lorsque la surface sans air de la Lune a été frappée par des météores et des astéroïdes qui ont réduit une grande partie de la croûte lunaire en une fine poudre.

L’absence d’atmosphère signifiait également que l’érosion par le vent et l’eau (courante ici sur Terre) était absente. Enfin, l'exposition constante au vent solaire a laissé le régolithe lunaire chargé électrostatiquement, ce qui signifie qu'il adhère à tout ce qu'il touche.

Lorsque les astronautes d'Apollo se sont aventurés sur la Lune, ils ont signalé avoir eu des problèmes avec le régolithe qui collait à leurs combinaisons et était retrouvé dans leurs modules lunaires. Une fois à l'intérieur de leurs véhicules, il adhérait à tout et devenait dangereux pour la santé, provoquant une irritation des yeux et des difficultés respiratoires.

Mais avec les missions Artemis à l'horizon et l'infrastructure prévue qu'elles impliqueront, se pose la question de savoir comment les vaisseaux spatiaux (pendant le décollage et l'atterrissage) feront propulser le régolith en grande quantité et l'accélérer à des vitesses élevées.

Comme Sarwar l'a expliqué à Universe Today par e-mail, c'est l'une des principales raisons pour lesquelles le régolithe lunaire constituera un défi majeur pour les activités humaines régulières sur la Lune :

"Lors d'un atterrissage en douceur rétro-propulsif sur la Lune, les panaches d'échappement des fusées supersoniques/hypersoniques peuvent éjecter une grande quantité (108 à 1 015 particules/m ³ ). vu dans les missions Apollo) de régolithe meuble provenant de la couche supérieure du sol."

"En raison des forces générées par le panache - traînée, portance, etc. - les éjectas peuvent se déplacer à des vitesses très élevées (jusqu'à 2 km/s). Le jet peut endommager le vaisseau spatial et les équipements à proximité. Il peut également bloquer la vue de l'objet." zone d'atterrissage, perturber les capteurs, obstruer les éléments mécaniques et dégrader les surfaces optiques ou les panneaux solaires par contamination."

Les données acquises lors des missions Apollo ont servi de pierre de touche pour Sarwar et Hasnain, notamment sur la façon dont les éjectas du panache d'échappement du module lunaire (LM) Apollo 12 ont endommagé le vaisseau spatial Surveyor 3, situé à 160 mètres (525 pieds). Ce véhicule sans équipage avait été envoyé pour explorer la région de Mare Cognitum en 1967 et caractériser le sol lunaire avant les missions avec équipage.

Surveyor 3 a également été utilisé comme site cible d'atterrissage pour Apollo 12 et a été visité par les astronautes Pete Conrad et Alan Bean en novembre 1969.

Les dégâts ont été atténués par le fait que Surveyor 3 se trouvait dans un cratère sous le site d'atterrissage d'Apollo 12 LM. Un autre exemple est la mission Apollo 15 qui a atterri dans la région Hadley-Apennine en 1971. Pendant la descente du LM, les astronautes David R. Scott et James B. Irwin n'ont pas pu voir le site d'atterrissage parce que leur panache d'échappement avait créé un épais nuage de régolithe. au-dessus.

Cela a obligé l'équipage à sélectionner un nouveau site d'atterrissage au bord de Béla, un cratère allongé à l'est de la région. Le LM n'a pas pu atteindre un équilibre sur ce site et s'est incliné vers l'arrière de 11 degrés avant de se stabiliser.

Les recherches menées depuis ces missions ont conduit à la conclusion que les collisions entre les particules de régolithe étaient probablement à l'origine de la diffusion. Comme Sarwar l'a indiqué, ces exemples illustrent à quel point un régolithe perturbé peut devenir un danger, en particulier lorsque d'autres engins spatiaux et installations sont positionnés à proximité :

"Les deux exemples ci-dessus de l'ère Apollo n'étaient pas suffisamment graves pour compromettre le succès de la mission. Mais les futures missions Artemis (et CLPS) auront lieu sur le pôle sud lunaire, où le sol est supposé être nettement plus poreux/faible que celui du pôle équatorial. et les régions d'atterrissage d'Apollo aux latitudes moyennes."

"De plus, les atterrisseurs Artemis devraient délivrer des charges utiles beaucoup plus importantes qu'Apollo et nécessiteront donc plus de poussée pour ralentir. En conséquence, des cratères profonds peuvent se produire (pas vus dans Apollo) en raison des panaches d'échappement des fusées et faire exploser le régolith à des angles beaucoup plus élevés. que ceux vus précédemment (~1-3 degrés au-dessus du sol)."

Conformément aux objectifs à long terme du programme Artemis, la NASA prévoit de construire des infrastructures autour de la région polaire sud pour permettre un « programme soutenu d'exploration et de développement lunaire ». Cela comprend le camp de base Artemis, composé d'un habitat de surface de fondation, d'une plate-forme de mobilité habitable, d'un véhicule tout terrain lunaire (LTV) et de la passerelle lunaire en orbite.

"En tant que tel, protéger les humains, les structures ou les vaisseaux spatiaux à proximité des dangers des particules de régolithe lunaire est d'une préoccupation primordiale", a déclaré Sarwar.

Des recherches similaires ont montré comment les nuages ​​de régolithe provoqués par l’atterrissage et le décollage pourraient également constituer un danger pour le fonctionnement sûr de la passerelle lunaire et des orbiteurs lunaires. Ces menaces ont donné lieu à des recherches considérables sur la manière dont la poussière lunaire peut être atténuée lors des futures missions. Comme indiqué, Sarwar et Hasnain ont utilisé la méthode des sphères molles pour évaluer les risques posés par les collisions particule-particule :

"Dans cette méthode, les particules adjacentes peuvent se chevaucher dans une infime quantité, ce qui est considéré comme une mesure indirecte de la déformation attendue lors d'une véritable collision particule-particule. Cette valeur de chevauchement, ainsi que les propriétés matérielles pertinentes du régolithe lunaire, est ensuite utilisé dans une représentation de curseur de friction à ressort pour calculer les forces dans chaque événement de collision. L'inélasticité impliquée dans une collision varie de complètement inélastique à hautement élastique. "

"Nos résultats révèlent que des collisions hautement élastiques entre des grains de régolithe relativement gros (~ 100 microns) provoquent l'éjection d'une partie importante d'entre eux sous de grands angles (certains peuvent s'envoler à ~ 90 degrés). Le reste des grains est cependant contenu. dans une région à petit angle (<3 degrés) le long du sol, ce qui correspond à la feuille de régolithe visible observée lors des missions Apollo."

En termes de garanties, Sarwar et Hasnain suggèrent que les bermes ou les clôtures autour d'une zone d'atterrissage sont un moyen d'atténuer les pulvérisations d'éjectas. Cependant, comme le suggèrent leurs recherches, un certain pourcentage de particules de régolithe peut se disperser sous de grands angles en raison de collisions, rendant les bernes ou les clôtures insuffisantes.

"Une meilleure solution pour les futures missions Artemis serait de construire une aire d'atterrissage", a déclaré Sarwar. "À cet égard, une équipe multi-organisationnelle composée de personnel provenant à la fois du monde universitaire (dont le Dr Hasnain) et de l'industrie travaille au développement de la technique de pulvérisation d'alumine en vol, ou aires d'atterrissage FAST."

La méthode FAST envisage des atterrisseurs lunaires équipés de particules d'alumine qui sont éjectées lors des manœuvres d'atterrissage. Ils sont ensuite liquéfiés par les panaches du moteur pour créer de l'aluminium fondu sur la surface lunaire, qui se refroidit et se solidifie pour créer une surface d'atterrissage stable. La NASA a également étudié comment construire des aires d'atterrissage à l'aide de la technologie de frittage, où le régolithe est projeté par micro-ondes pour créer une céramique fondue qui durcit au contact de l'espace.

Une autre idée consiste à construire des aires d'atterrissage avec des murs anti-souffle pour contenir le régolithe éjecté, que l'entreprise de construction basée au Texas, ICON, a inclus dans son concept d'habitat Lunar Lantern.

Hélas, les recherches expérimentales sur le régolithe lunaire sont très difficiles car les conditions lunaires sont très différentes de celles sur Terre. Cela inclut la gravité inférieure (environ 16,5 % de celle de la Terre), l’environnement sous vide et les variations extrêmes de température. C’est pourquoi les chercheurs sont obligés de s’appuyer largement sur la modélisation numérique, qui se concentre généralement sur les forces du panache et ignore largement le rôle des collisions de particules. Mais comme l'a noté Sanwar, leurs recherches offrent des informations précieuses et illustrent pourquoi il est important de prendre en compte ce phénomène souvent négligé lors de la planification de futures missions lunaires :

"[Cependant,] nos recherches sur les collisions de particules ont montré qu'il s'agit d'un phénomène très important à prendre en compte pour une prédiction précise de la trajectoire du régolithe et qu'il doit donc être inclus. Il reste encore de nombreux défis à relever dans ce domaine, comme le manque de précision. de connaissances sur le coefficient de restitution des particules de régolithe (qui détermine la perte d'énergie lors d'une collision), les effets de la distribution de la taille des régolithes, les implications des panaches turbulents, etc."

"Nous espérons élucider certaines de ces incertitudes à l'avenir et contribuer à un modèle PSI lunaire plus complet pour des atterrissages lunaires Artemis plus sûrs."

Les résultats sont publiés dans Acta Astronautica .

Plus d'informations : Shah Akib Sarwar et al, Étude des effets de collision sur les particules du sol lunaire éjectées sous les panaches des fusées, Acta Astronautica (2024). DOI :10.1016/j.actaastro.2024.02.014

Fourni par Universe Today