Effets du cyclage thermique et caractérisation mécanique d'un matériau simulant de régolithe d'astéroïde

Effects of thermal cycling and mechanical characterization of an asteroid regolith simulant material

• Auteur / Autrice : Sébastien Cohoner
• Direction : Robert Peyroux, Daniel Britt, Alice Di Donna, Barthélémy Harthong
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 11/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures - risques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Beck
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Cutard, Bertrand Wattrisse

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astéroïdes

Fatigue thermique

Altérites

Mots clés libres

Régolithe

Fatigue thermique

Astéroïdes

Thermal fatigue

Regolith

Asteroids

Résumé

La mission spatiale OSIRIS-REx de la NASA a récemment renvoyé sur Terre des échantillons de régolithe d'astéroïde de l'astéroïde carboné Bennu. Le bombardement de micrométéorites et la fissuration thermique sont les deux principaux processus responsables de la formation de régolithe à la surface des astéroïdes. On pense que les matériaux qui constituent la plupart des astéroïdes géocroiseurs sont très faibles, courants dans l’espace mais presque inexistants sur Terre.Dans cette étude nous nous concentrons sur la caractérisation mécanique et l'étude de la fracturation par cyclage thermique de ce matériau.Un analogue des météorites carbonées avec une composition de type CM, suite aux résultats préliminaires de composition pour Bennu et Ryugu, développé en collaboration avec l'Université de Floride centrale (UCF) et Deep Space Industries (DSI) et est maintenant produit par l'Exolith Lab de l'UCF sera utilisé pour étudier ce phénomène. De l'eau et du métasilicate de sodium ont été ajoutés au simulant pour agir comme un liant et former des blocs ainsi que des billes de verre de 400 à 600 µm pour simuler des inclusions de chondrites (chondrules, CAI). Ensuite, une scie à fil a été utilisée pour usiner les échantillons tant pour les essais mécaniques que pour les cyclages thermiques.Des tests de traction et de compression ont été réalisés sur différents échantillons afin de déterminer le module d'élasticité de 1GPa et la résistance à la traction de 250kPa.Pour le cyclage thermique, nous avons choisi de leur donner une forme cylindrique pour avoir une propagation de température la plus homogène possible. La taille de l'échantillon a été choisie suffisamment grande pour être considérée comme un élément de volume représentatif et la plus petite possible pour réduire le temps des cycles thermiques (11 mm de diamètre et 20 mm de hauteur). Nous avons choisi les températures pour avoir un ∆T=200K. Pour ce faire, l'azote liquide a été choisi pour refroidir l'échantillon à 77K tandis que la température ambiante le réchauffera. Des scans de tomographie aux rayons X ont été réalisés à l'état initial et après différents nombres de cycles afin de suivre la formation et la propagation des fissures à l'intérieur du matériau. Les images ont ensuite été traitées à l'aide de SPAM, qui est un code numérique sur Python développé par le laboratoire 3SR de Grenoble en France. Les résultats montrent l'apparition de fissures dès les 70 premiers cycles. Ces fissures se produisent dans des zones proches de la surface de l'échantillon et sont localisées autour des inclusions. Durant les 140 premiers cycles, on constate des décollements d'inclusion en surface ainsi que la propagation de certains grands vides pouvant aller jusqu'à l'ouverture en surface. Après 270 cycles, la propagation des fissures a endommagé significativement le matériau, le rendant plus fragile, ce qui a conduit à la rupture de la partie inférieure de notre échantillon.

The OSIRIS-REx space mission from the NASA recently returned asteroid regolith samples from the carbonaceous asteroid Bennu to Earth. Micrometeorite bombardment and thermal cracking are the two main processes responsible for the formation of regolith on the surface of asteroids. The materials that constitute most of the near-Earth asteroids are believed to be very weak, common in space but almost nonexistent on earth.In this study we focus on the mechanical characterization and the study of fracturing by thermal cycling of this material.An analogue to carbonaceous meteorites with a CM-like composition, following the preliminary compositional results for Bennu and Ryugu developed in collaboration with the University of Central Florida (UCF) and Deep Space Industries (DSI) and is now produced by UCF’s Exolith Lab will be used to investigate this phenomena. Water and sodium metasilicate were added to the simulant to act like a binder and form blocks as well as glass beads of 400−600µm to simulate chondrite inclusions (chondrules, CAIs). Then a wire saw has been used to machine the samples for both mechanical tests and for thermal cycling.Tensile and compression tests were performed on different samples to in order to determine the modulus of elasticity of 1GPa and the tensile strength of 250kPa.For the thermal cycling, we chose to make them have a cylindrical shape to have a temperature propagation as homogeneous as possible. The size of the sample has been chosen to be big enough to be considered as a representative volume element and as small as possible to reduce the time of the thermal cycles (11mm of diameter and 20mm height). We chose the temperatures to have a ∆T=200K. To do so, liquid nitrogen has been chosen to cool down the sample at 77K while the ambient temperature will warm it up. X-ray tomography scans have been performed at the initial state and after different amount of cycles in order to follow the formation and the propagation of cracks inside the material. The images were then processed using SPAM, which is a numerical code on Python developed by the 3SR laboratory in Grenoble in France. The results show the appearance of cracks from the first 70 cycles. These cracks occur in areas close to the sample surface and are localized around inclusions. During the first 140 cycles, there are detachments of inclusion on the surface as well as the propagation of certain large voids which can go as far as opening on the surface. After 270 cycles, the propagation of the cracks significantly damaged the material, making it weaker, which led to the rupture of the lower part of our sample.