DUSTER : dépoussiérer la lune pour découvrir ses secrets

Vous êtes-vous déjà demandé quels secrets cachés se trouvent à la surface de la lune, attendant d'être découverts par les astronautes ?

C'est aussi le cas de Bryce Bettens, Paulina Morales Ruiz et Jan-Willem Burssens.
Dans le cadre de leur cours de communication scientifique et de sensibilisation, dispensé par le prof. Katrien Kolenberg, ces trois étudiants ont été mis au défi de créer une vidéo immersive pour les jeunes de 12 à 18 ans, comme support visuel du dernier numéro du magazine Science Connection de Belspo. Sous la direction de Wim De Vos, responsable de la communication externe à Belspo, ils sont venus interviewer Karolien Lefever sur le projet DUSTER.
 

Le mystère de la lune

Q : Pouvez-vous nous parler des secrets que la lune recèle, selon vous, et qui attendent d'être découverts par de futures missions d'exploration ?

De nombreuses personnes, y compris des scientifiques, pensent que la Lune n'est qu'une boule de roche grise dans notre ciel et qu'elle est scientifiquement ennuyeuse. Pourtant, c'est le contraire qui est vrai.  Comme la Lune n'a pas d'atmosphère semblable à celle de la Terre, sa surface reste pratiquement inchangée pendant des années. C'est comme une capsule géologique... Même les pas des astronautes d'Apollo sont encore visibles à la surface. On pourrait dire que "ce qui se passe sur la Lune reste sur la Lune... pour toujours".

Au début du système solaire, les astéroïdes et les comètes ont bombardé les planètes et leurs lunes. La plupart des cratères formés par ces impacts sur la Terre ne sont plus visibles en raison de l'érosion par le vent et l'eau. En revanche, la Lune a conservé la plupart de ses cratères dans un état à peu près identique pendant des millions et des millions d'années. Cela peut nous en apprendre beaucoup sur l'histoire de notre système solaire, et peut-être même sur la façon dont l'eau et la vie ont pu émerger sur Terre.

Il reste encore beaucoup de choses à apprendre sur la Lune. Par exemple, comme nous voyons toujours à peu près le même côté de la Lune depuis la Terre, ce n'est que récemment que nous avons commencé à découvrir ce qui se passe sur la face cachée de la Lune. La moitié de la Lune reste à explorer !

Q : Pourquoi devrions-nous nous intéresser à la lune ? Quel rôle la Lune jouera-t-elle dans l'avenir de l'exploration spatiale ?

Les futurs explorateurs humains, qu'ils se rendent sur Mars ou sur la Lune, devront relever de nombreux défis. Ils devront faire face aux radiations de l'espace, aux fortes radiations UV du soleil, ils devront trouver des moyens de produire de l'oxygène pour respirer, ils devront trouver de l'eau pour pouvoir boire.

Dans le cadre de la préparation des missions exploratoires vers Mars, la Lune constitue une étape intermédiaire idéale. Il faut environ 3 jours à un vaisseau spatial pour se rendre sur la Lune, alors qu'un voyage vers Mars dure au moins 7 mois. La proximité de la Lune en fait un excellent banc d'essai pour les technologies nécessaires à l'exploration de l'espace lointain.

Par exemple, au cours des deux dernières décennies, de la glace d'eau a été découverte sur les pôles de la Lune. L'eau est l'un des ingrédients essentiels au maintien de la vie sur un autre objet du système solaire. Nous devons encore apprendre à extraire cette eau et à la transformer en eau potable pour les futurs explorateurs humains.

Autre exemple : les scientifiques étudient notre Lune pour comprendre comment les radiations spatiales et le bombardement de micrométéorites peuvent affecter les astronautes qui vivent dans l'espace lointain pendant de longues périodes, y compris lors des missions sur Mars.

La NASA prépare actuellement la station internationale Gateway, en orbite autour de la Lune. Elle étudiera spécifiquement les effets à long terme des radiations de l'espace lointain sur les astronautes. À long terme, la faible barrière gravitationnelle de la Lune pourrait également en faire une plate-forme de fusée efficace pour voyager à travers le système solaire.

Q : Pouvez-vous expliquer l'intérêt d'étudier la poussière lunaire ?

La poussière est l'un des principaux défis que devront relever les futurs astronautes sur la lune. Elle a un impact non seulement sur la santé des astronautes, puisqu'elle peut pénétrer profondément dans leurs voies respiratoires et leurs poumons, mais aussi sur la technologie à la surface. La poussière lunaire est très "statique" et s'accroche à toutes les surfaces. Les combinaisons spatiales des astronautes d'Apollo étaient couvertes de poussière, ce qui obstruait leur vue, mais elle couvre également les panneaux solaires ; elle peut bloquer certains mécanismes ; ...

Cependant, il y a encore beaucoup de choses que nous ne savons pas sur les particules de poussière lunaire. Leur distribution en taille, leurs propriétés de charge électrique, comment elles interagissent avec la lumière ultraviolette du Soleil, avec le rayonnement solaire et le rayonnement spatial, comment elles sont soulevées et comment elles sont transportées, comment elles s'agglutinent.

Pour pouvoir les traiter correctement (atténuer leurs effets néfastes), nous devons les caractériser correctement.

Le défi

Q : Pourquoi la poussière sur la lune représente-t-elle une telle menace ?

Le point commun entre la poussière sur la Terre et la Lune est que les particules de poussière peuvent être une véritable nuisance, et nous préférons généralement nous en débarrasser.

Sur la Terre, c'est assez facile, nous utilisons un aspirateur ou un chiffon à poussière, ou nous l'essuyons avec nos mains.

Sur la Lune, ce n'est pas si simple. La poussière est chargée électriquement et s'accroche à toutes les surfaces. Il n'est pas possible de l'essuyer avec les mains. Elle y reste collée. Il est même dangereux de le faire.

Sur Terre, les cailloux sont arrondis par les éléments naturels au fil du temps, ce qui les rend faciles à traiter. Les sols lunaires, en revanche, ne sont pas exposés à l'érosion. La poussière lunaire est créée par des impacts de micrométéorites (un peu plus de 100 kg/an), brisant la couche supérieure de la surface lunaire en morceaux de plus en plus petits, presque comme de la poudre, mais les laissant très tranchants (comme du verre) et anguleux, avec des surfaces de fractures fraîches en raison de l'absence de pluie ou de vent. Comme ils sont très petits (ils peuvent avoir une taille inférieure à 20 microns, aussi fins qu'un cheveu), ils peuvent être très dommageables d'une manière que nous ne voyons pas sur Terre. Comme nous l'avons mentionné, lorsque les astronautes inhalent de l'air rempli de particules aussi pointues, vous pouvez imaginer les dégâts qu'elles peuvent causer. Lorsqu'elles obstruent les instruments, elles sont parfois nécessaires à la sécurité des explorateurs humains.

Sur Terre, la plupart de ces micrométéorites n'atteignent jamais le sol, elles se consument déjà dans l'atmosphère. On peut les voir comme des étoiles filantes.

Q : Pouvez-vous expliquer, de manière simple, quelle est la force électrostatique de la poussière sur la lune ?

Contrairement à ce qui se passe sur Terre, la poussière lunaire n'est pas tassée. Toute activité à la surface peut en soulever des seaux pleins, mais même sans que des astronautes marchent à la surface ou qu'un module lunaire pose ses pieds sur le sol, on a vu des particules et des nuages de poussière flotter à plusieurs centimètres, voire à plusieurs mètres, au-dessus de la surface. Et ce, malgré l'absence de vent ou d'eau à la surface pour les soulever ! De minuscules particules peuvent même être transportées sur de grandes distances sur la Lune. Les scientifiques attribuent la mobilisation de la poussière à des forces électrostatiques.

Bien que les processus physiques et dynamiques à l'origine du soulèvement et du transport des poussières ne soient pas encore entièrement compris, nous savons que les poussières lunaires peuvent avoir un aspect et un comportement différents en fonction de leur emplacement sur la surface par rapport au Soleil (angle zénithal solaire).

Par exemple, la face orientée vers le soleil (le côté jour) est constamment exposée au rayonnement solaire. L'irradiation des matériaux à la surface dans le domaine des UV et des rayons X entraîne une photoémission d'électrons (c'est-à-dire la libération de particules chargées négativement). La poussière du côté jour a donc une légère charge électrique positive, avec un potentiel d'environ +10 V, ce qui signifie qu'elle s'accroche à tout - comme les effets statiques ici sur Terre.

Du côté nuit, les interactions entre particules chargées tendent à induire un potentiel négatif, estimé normalement entre -100 V et -200 V.

Près du terminateur, la région entre la face ombragée et la face éclairée par le soleil, de forts champs électriques sont présents en raison de la transition rapide d'un potentiel positif à un potentiel négatif. Ce champ électrique pourrait être à l'origine de la lévitation électrostatique et du transport horizontal des grains de poussière lunaire, entraînant un dépôt net de poussière de l'hémisphère sombre vers l'hémisphère éclairé par le soleil.

Le projet DUSTER

Q: Can you introduce the project? How can it contribute to solving the dust problem?

DUSTER est un projet dirigé par l'Institut royal d'Aéronomie Spatiale de Belgique, en collaboration avec l'Instituto de Astrofisica de Andalucia (CSIC-IAA), l'ONERA (le laboratoire aérospatial français) et Thales Alenia Space en Espagne, et financé par la Commission européenne dans le cadre de son programme Horizon Europe.

DUSTER (abréviation de "Dust Study, Transport, and Electrostatic Removal for Exploration Missions") vise à étudier les propriétés physiques de la poussière lunaire, en particulier la charge électrostatique et l'adhésion des grains de poussière à la surface lunaire, qui sont essentielles pour comprendre le transport de la poussière. Dans un premier temps, nous utilisons des simulants de poussière lunaire dans les laboratoires de l'ONERA. A l'aide d'une installation dédiée dans laquelle nous simulons un environnement lunaire, nous essayons de mesurer le champ électrique à la surface de la couche de poussière, d'attirer et de déplacer des grains chargés en appliquant un champ électrique, de mesurer le courant résultant et la charge électrique transportée par les grains mobilisés.

Sur la base de ces résultats, nous développons un instrument capable d'effectuer ces mesures in situ, à la surface de la Lune, dans un environnement non contrôlé. Nous espérons pouvoir l'installer sur un futur atterrisseur lunaire afin d'évaluer les risques de pollution par les poussières et de trouver des moyens d'en atténuer efficacement les dangers.

Dévoiler les secrets lunaires

Q : Que signifie pour l'avenir l'amélioration de nos connaissances sur les poussières lunaires ?

The Apollo astronauts did not stay on the Moon’s surface long enough for serious and irreversible health issues to result from their exposure to lunar dust. However, it became apparent that the effects of the dust on the human body, and on safety-critical equipment had been underestimated.

If we have a better understanding of the lunar dust, we can find ways to overcome issues related to the negative effects of it, e.g. on a lunar landing site. We could effectively remove dust from the astronauts spacesuits, remove it from the space instruments.

Q : Comment la poussière peut-elle ouvrir de nouvelles perspectives pour la découverte scientifique et l'exploration de l'espace ?

En développant la technologie nécessaire pour déplacer électrostatiquement les grains de poussière de manière contrôlée, il s'agit d'un premier pas vers un dispositif de nettoyage des surfaces sensibles, mais aussi vers des collecteurs d'échantillons de poussière, car on peut soit les attirer, soit les repousser. Cela faciliterait grandement la vie des futurs explorateurs de l'espace, tant sur la Lune que sur Mars.