Gestion de la poussière martienne

Introduction

La poussière ultrafine rend difficile, déjà au stade robotique, l’exploration de Mars. Elle risque de poser de sérieux problèmes aux missions habitées et à la vie humaine. La NASA recherche des solutions pour la Lune dans le cadre de son initiative générale, « LSII ».

Ces solutions bénéficieront aussi à l’activité sur Mars car sur ce plan les deux astres sont semblables et la prolongation pour Mars est déjà clairement énoncée. Dans ce cadre, l’Université d’Hawaï, PHU, a proposé un tissu, LiqMEST, qui pourrait empêcher l’adhérence aux surfaces. La NASA elle-même propose, via le Kennedy Space Center, un traitement électronique des surfaces, l’EDS (Electronic Dust Shield Experiment). D’autres solutions sont en gestation, plus ou moins avancée. Elles sont éventuellement complémentaires. Mais d'abord, qu'est-ce que la poussière martienne ?

1. Poussière martienne

Elle est constituée de petites particules minérales riches en fer (mais composées aussi de toutes sortes de minéraux, dont des silicates) qui n’ont pas pu se stabiliser ou s’agglomérer parce qu’il n’y a pratiquement pas d’eau liquide sur Mars, sauf à de rares périodes de plus en plus espacées dans le temps (périodes pendant lesquelles le problème est bien sûr temporairement partiellement résolu et la diagénèse très active). Ces particules résultent soit des impacts de météorites, soit de la décomposition de roches accentuée par l’érosion éolienne, soit in fine de la saltation des grains de sable (c’est-à-dire de la dégradation des plus grosses particules en plus petites du fait de leur déplacement et de leur friction avec d’autres grains, ou la roche, causés par le vent).

Les particules ou grains sont de toutes tailles, mais peuvent être extrêmement petites. On a pu l’observer « de très près » avec le microscope à force atomique FAMARS* embarqué à bord de la sonde PHOENIX en 2007 et qui a étudié l’environnement martien de mai à novembre 2008 par 68° de latitude Nord. Le seuil entre sable et poussière, communément admis en granulométrie, est de 0,0625 millimètres (62,5 µm, micromètres). FAMARS a pu distinguer des particules jusqu’à 0,1 µm et a pu constater la très forte abondance des grains autour de 10 µm. Pour référence, les masques chirurgicaux dont il était recommandé le port pendant la période du COVID devait avoir une efficacité de filtration bactérienne > 98% d'un aérosol de taille moyenne 3 µm. Compte tenu de la faible érosion locale les grains de poussière martiens sont un peu moins acérés que ceux de la poussière lunaire mais quand même très anguleux.

*La thèse de doctorat de Sebastian Gautsch (Université de Neuchâtel, aujourd’hui adjoint au directeur de la section microtechnique de l’EPFL et vice-président de la Mars Society Switzerland) a été consacrée à la conception de cet instrument (voir lien ci-dessous).

Le vent a transporté la poussière partout autour du globe, le sable moins loin en dehors de sa zone de formation, en raison du poids supérieur des grains. Comme les grains sont très petits et très peu massifs, ils sont portés par l’atmosphère, bien sûr quand il y a du vent mais pas seulement ; une certaine quantité reste toujours en suspension dans l’air. C’est ce qui donne la coloration ocre rouge au ciel pendant la journée. Au sol, on trouve cette poussière partout, en couches plus ou moins fines, dissimulant par son ocre rouge, les autres couleurs. Elle a été concentrée dans le creux des reliefs où les endroits protégés qui se prêtaient à son accumulation et le sable supportant davantage une structuration en hauteur, a été aligné en dunes. Il y a beaucoup de dunes sur Mars, mais il y a aussi beaucoup de bancs de « sables mouvants » (poussière) dans les creux du relief. Il est intéressant de noter que le brassage de la poussière au niveau planétaire crée sans doute une homogénéité dans une diversité minéralogique très élevée. Il en est de même, mais dans une moindre mesure localement pour le sable (puisque le sable de par sa masse, voyage moins). Cette poussière et ce sable seront donc des ressources minérales de la planète, facilement utilisable par l’Homme, puisque facilement prélevable et manipulable.

Cependant la poussière présente plusieurs aspects négatifs : sa capacité à obscurcir l’atmosphère et à pénétrer « partout » à cause du vent, ses formes anguleuses, sa susceptibilité aux forces électrostatiques.

Sur Mars, par rapport à ce qui se passe sur la Lune, le phénomène est aggravé par l’atmosphère. On sait que cette atmosphère est très ténue (pression de 610 pascals à l’altitude « moyenne », équivalente à celle du niveau de la mer sur Terre). Avec la sécheresse ambiante des quantités énormes de grains de poussière et dans une moindre mesure de sable peuvent être emportés dans des « tempêtes de poussière » qui ne sont pas exceptionnelles. Toutes les trois années martiennes environ, elles peuvent devenir planétaires et durer plusieurs semaines en obscurcissant le ciel, limitant fortement sinon empêchant totalement l’utilisation de l’énergie solaire et tendant à pénétrer les rouages des machines ou les interstices des volumes qui devraient être clos. Cela a beaucoup gêné la fin de la mission Opportunity. Les deux roues avant du rover avaient été immobilisées, usées certes par les aspérités du sol mais dont les articulations avaient aussi été complètement grippées par la poussière.

Un autre aspect négatif de la poussière est que ses grains ne pouvant être humidifiés (l'humidité très basse empêche l'évacuation des charges électriques), elle est extrêmement sensible à l’électricité statique, donc « collante ». On retrouve ainsi la poussière sur toutes les surfaces. On a pu constater sur les différents équipements robotiques envoyés sur Mars qu’irrémédiablement et assez rapidement, les surfaces se teintent de cette même couleur. Ceci montre bien que les matériaux les plus lisses ne peuvent éviter d’être revêtus par cette matière diffuse comme s’ils en étaient imprégnés. Pour le moment cela est surtout gênant pour les panneaux solaires dont la capacité de captation d’énergie est altérée. Opportunity a été « tué » par une tempête de poussière qui l’a empêché de recueillir par ses panneaux photovoltaïques totalement enduits, l’énergie minimum qui lui était nécessaire pour passer l’hiver austral martien. Plus tard, quand l’homme vivra sur Mars, il risque de l’importer sur sa combinaison ou ses instruments à l’intérieur des habitats. Une fois son casque de scaphandre retiré, il respirera l’air ambiant. Si sa combinaison n’a pas été impeccablement dépoussiérée, il absorbera des particules car disséminées dans l’habitat, elles seront très difficiles à aspirer mécaniquement. Elles pourraient lui apporter la silicose et gêner le bon fonctionnement de différents appareils indispensables. Il faudra donc impérativement s’en débarrasser, au plus tard dans le sas d’accès.

2. Solutions

2.1 La NASA en première ligne

On cherche depuis des années les solutions. Celles qu’on envisage aujourd’hui (en dehors des méthodes plus classiques de vibration des surfaces, de soufflage ou d’aspiration) sont de trois ordres : la structure des tissus, le nettoyage par projection de gaz et le nettoyage par polarisation électrique.

Les recherches sont menées par la NASA (plus précisément son Space Technology Mission Directorate) dans le cadre de la LSII (Lunar Surface Innovation Initiative) par l’intermédiaire du LSIC (Lunar Surface innovation Consortium) dirigé par le John Hopkins University Applied Physics Laboratory (JHU/APL). La LSII a été créée en 2019. Il s’agit de stimuler l’intérêt et l’innovation dans les technologies de l’exploration lunaire par missions habitées (identification des besoins et évaluation des travaux, recommandations, centralisation des données et des résultats). L’action est menée via des partenariats ou des « collaborations » auxquels participent la NASA au côté du JHU (financièrement comme techniquement). Mars est clairement déjà nommée comme l’étape où les technologies découvertes et devenues opérationnelles seront mises en œuvre après la Lune. L’on espère aussi des retombées sur les activités terrestres. Bien sûr la « dust mitigation », que l’on pourrait traduire par « atténuation des nuisances de la poussière », n’est pas la seule ligne de recherches (« key capability areas ») mais c’est l’une des six* que l’on a décidé d’entreprendre.

*Les autres sont (2) l’ISRU (In Situ Resources Utilization) bien connue des membres de la Mars Society puisque le concept en revient à son fondateur, Robert Zubrin ; (3) l’énergie (« surface power ») ; (4) l’extraction des minéraux et la construction (« excavation and construction ») ; (5) l’adaptation de l’homme et de ses équipements à l’environnement extrême (« extreme environment ») et (6) la capacité d’accès aux sites difficiles (« extreme access »). La LSIC n’est pas une petite organisation puisqu’elle comporte 2400 participants actifs au sein d’un millier d’institutions ou établissements présents dans tous les états américains et une cinquantaine de pays étrangers.

2.2 Première solution, la structuration des tissus

Un tissu répulsif (« self-cleaning ») a été conçu (publication en février 23) par l’Université du Texas à Austin (UTA) avec la société Smart Material Solutions Inc. L’équipe a modifié la géométrie des surfaces planes pour créer un réseau serré de structures pyramidales nanométriques. Ces structures, angulaires et pointues, empêchent les particules de poussière d'adhérer au matériau. Ne pouvant coller à ce support, elles s’agglomèrent entre elles pour rouler ensuite en surface et tomber au sol sous l'effet de la gravité.

2.3 Deuxième solution, le nettoyage par projection de gaz ultra-froid

Un spray a été conçu (février 23) par l’Université de l’Etat de Washington (WSU). Il s’agit de projeter une pulvérisation d'azote liquide (forcément très froid) sur un tissu relativement beaucoup plus chaud que le gaz. Le nettoyage va se faire par effet Leidenfrost. NB : Cet effet peut être observé lorsque de l'eau froide est versée sur une poêle à frire chaude et qu'elle perle puis se déplace à la surface de la poêle. Par analogie, lorsque de l'azote liquide est pulvérisé sur une combinaison spatiale (même s’il y a isolation thermique, sa température est très largement plus élevée que celle du gaz), les particules de poussière sont extraites par le jet, s'accumulent sans pouvoir attacher et s’éloignent du tissu en flottant avec la vapeur d'azote.

2.4 Troisième solution, nettoyage par polarisation électrique

Un tissu très réceptif à la polarisation et en même temps souple et extensible a été conçu (Octobre 23) par l’Université d’Hawaï Pacifique (PHU). Lorsqu’il est activé, ce « LiqMest »*, doit générer un champ électrique qui empêche la poussière d’adhérer à sa surface. Son concepteur le Professeur Arifur Rahman de l’Université de Bangkok a obtenu une subvention de 50.000 dollars de la NASA pour présenter un prototype dans le délai d’un an (mai 24). Le tissu pourrait être utilisé pour la mission Artemis III (mi 2027)…mais aucun rapport sur le sujet n’apparait encore en décembre 2024.

*Liquid Metal Electrostatic Protective Textile.

Une variante de cette dernière technologie est l’EDS (Electronic Dust Shield Experiment). Il s’agit de déstabiliser et dégager les poussières des surfaces à l'aide d’un champ électrique dynamique (avec plusieurs électrodes, chacune donnant une impulsion différente pour créer comme une ondulation de vagues). La technologie est étudiée au sein de la NASA (Kennedy Space Center). Elle vise la prévention de l’empoussiérage et le dépoussiérage de toutes sortes de surfaces solides : radiateurs thermiques, panneaux solaires, lentilles d'appareil photo et autre matériel nécessitant une protection contre la poussière. Elle a été testée en 2019 dans l’ISS dans le cadre de la série de tests MISSE-11 (Materials International Space Station Experiments)*. Des essais au sol avant le vol avait montré que des électrodes posées sur des plaques de verre pouvaient éliminer « plus de 98 % de la poussière dans des conditions de vide poussé ». L’expérience dans l’ISS a confirmé l’intérêt du processus. Elle a fourni des données utiles sur les performances des électrodes, des revêtements et des composants électroniques qui lui sont propres. Une seconde expérience dans l’espace devrait partir sur la Lune en janvier 25 avec la « Blue Ghost Mission 1 (TO 19D) » de la société Firefly Aerospace (concepteur et producteur d’atterrisseurs lunaires) qui doit être lancée par un Falcon-9 de SpaceX.

*Le programme MISSE existe depuis 2001 (c’est tout l’intérêt de l’ISS).

Conclusion

Avec ces technologies on a de bonnes probabilités d’obtenir une solution au problème de la poussière, non seulement pour les vêtements mais aussi pour les équipements. Si on développe un jour l’astronomie sur Mars, l’EDS sera incontournable (elle est spécifiquement prévue pour maintenir la propreté des optiques). Mais on peut aussi concevoir de mettre les différents équipements dont on aura besoin sous une bâche de liqMEST ou peut-être de nettoyer périodiquement les dômes et les surfaces vitrées avec un spray d’azote liquide*. Le nettoyage effectué par des robots équipés d'une caméra sera par ailleurs l’occasion de vérifier l’état du dôme ou des baies vitrées des habitats. Pour les combinaisons spatiales on utilisera probablement les trois technologies ensemble.

*L’impact du gaz sur la surface vitrée (plaques laminées de 1,5 x 2 cm d’épaisseur) serait extrêmement bref, mais les lecteurs physiciens pourront sans doute dire si le choc thermique serait ou non supportable (ou à quelles conditions elles le seraient).

Références et liens

Liens :
La tempête de 2018 :
https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20190027303/downloads/20190027303.pdf
LSII :
https://www.nasa.gov/space-technology-mission-directorate/lunar-surface-innovation-initiative/
https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20220012324/downloads/DARPA%20NOM4D%202022.pdf
Tissu répulsif :
https://interestingengineering.com/innovation/new-tech-solve-lunar-dust-problem
https://www.eurekalert.org/news-releases/980467
https://news.utexas.edu/2023/02/22/anti-dust-tech-paves-way-for-self-cleaning-surfaces/
Réf. : ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, vol. 15 (10), 13678–13688.
Microscope FAMARS à force atomique :
https://citeseerx.ist.psu.edu/document?repid=rep1&type=pdf&doi=15eb88aa339e4f766ade40475a6458af47f246ef
LiqMEST :
https://www.space.com/moon-spacesuit-dust-static-electric-field-hawaii-pacific-university
https://www.phonandroid.com/la-nasa-travaille-sur-des-combinaisons-spatiales-a-champ-electrique-pour-lutter-contre-les-poussieres-lunaires.html
https://www.hpu.edu/about-us/the-ohana/article.php?nid=nc10162301
https://interestingengineering.com/innovation/this-liquid-metal-fabric-will-protect-astronauts-from-lunar-dust
Pulvérisation d’azote liquide :
https://news.wsu.edu/press-release/2023/02/28/liquid-nitrogen-spray-could-clean-up-stubborn-moon-dust/
Electrodynamic Dust Shield, EDS :
https://www.nasa.gov/humans-in-space/science-in-space-week-of-sept-22-2023-exposing-materials-to-space/
https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20150016160/downloads/20150016160.pdf
https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/experiment/display.action?id=BLUEGHOST-07
https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=BLUEGHOST
https://en.wikipedia.org/wiki/Firefly_Aerospace_Blue_Ghost
L’ISS comme laboratoire scientifique :
https://www.nasa.gov/mission/station/research-explorer/investigation/?#id=8033

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