Simulant de régolithe lunaire

Le premier simulant de régolithe lunaire remonte aux années 1960, et a été développé par David Carrier dans le but de tester des techniques de forage. Ce simulant était très simple puisque constitué de sable de League City et de kaolinite, deux composants locaux facilement disponibles ; ses propriétés géotechniques étaient similaires à la surface lunaire mais absolument dissemblables au vrai régolithe en tout autre point[1]. De la même manière le premier simulant de poussière lunaire utilisé pour tester la résistance à l'abrasion des combinaisons était trop dissemblable du sol lunaire : toutes les modifications apportées préventivement sur les joints des équipements étaient inadaptées aux conditions réelles[2].

Photo de plagioclases et de pyroxène composant une roche de basalte prise avec polariseurs croisés et une plaque de gypse. La plupart des simulants sont issus de roches basaltiques réduites en poudre avec d'autres minéraux en supplément.

Après le retour de la mission Apollo 11, les premiers échantillons de sol lunaire exploitables permettent de connaître la composition réelle du régolithe, ainsi que ses propriétés physico-chimiques. Pour mieux s'approcher de la teneur de titane des échantillons rapportés, Paul Weiblen de l'Université du Minnesota développe en 1971 le MLS-1, pour Minnesota Lunar Simulant 1, à partir d'une roche basaltique extraite d'une carrière de Duluth dont la proportion de TiO₂ est la plus haute sur Terre[3]. Ce simulant contient en particulier une proportion notable d'ilménite. Les minéraux et les tailles de grains ressemblent à la chimie de la mission Apollo 11 (plus précisément, des échantillons de sol 10084), mais la similitude demeure limitée : la teneur en Ti est deux fois moins grande que celle des échantillons Apollo, et pour reproduire la présence de verre dans le régolithe, Weiblen a mélangé une part de basalte natif et une part préalablement passée dans un four à 6 000 °C pour obtenir une poudre contenant à la fois des cristaux et des particules amorphes. Ce processus permettait de s'approcher des échantillons rapportés par Apollo 11 mais la minéralogie, la géotechnique et la granulométrie du MSL-1 en était encore loin[3].

Alors que jusqu'à 1985 les simulants développés le sont dans des proportions très réduites, souvent pour une application bien particulière avec une quantité juste adaptée aux besoins du chercheur concerné par l'expérimentation mise en jeu, l'arrivée du MLS-1 et de sa mise à disposition plus globale pour l'ensemble des chercheurs intéressés en 1988 change la donne au niveau des quantités et des modes de production de simulants[4].

En 1993, un nouveau simulant est développé, le JSC-1, pour s'approcher de la composition des maria. À la différence du MLS-1, il simule un sol pauvre en titane et à haute teneur en verre ce qui le rapproche mieux des échantillons Apollo dont les particules ont tendance à s'agréger[3]. Ce simulant est une cendre basaltique minée dans le champ volcanique de San Francisco, à proximité de Flagstaff, dont la source a été sélectionnée notamment pour sa disponibilité en grande quantité et pour sa composition à moitié faite de verre friable d'origine basaltique[3]. En réalité les résultats présentés par l'équipe ayant développé le JSC-1 montrent une similitude de composition chimique entre le JSC-1 et l'échantillon 14163, ramené par Apollo 14 et n'étant pas issu d'une mare : ce simulant, pourtant présenté pendant des années comme correctement représentatif du régolithe des mers lunaires, n'est en fait typique que d'une petite partie du sol de l'astre[3], sa ressemblance minéralogique au régolithe lunaire est seulement partielle[5].

Outre le JSC-1, dont quinze[3] à vingt-cinq[6] tonnes furent produites, jusqu'aux années 2000 la production de nouveaux simulants a continué dans des proportions moins importantes dans le monde entier. C'est en 2004, sous l'impulsion du président des États-Unis George W. Bush, qu'une nouvelle demande importante de simulant lunaire est lancée et la supervision des simulants extra-terrestres passe du Centre Spatial Johnson au Centre de vol spatial Marshall (Marshall Space Flight Center, MSFC)[3]. L'idée d'un simulant standardisé est proposée par Carter et al., ce qui permettrait d'homogénéiser le besoin au niveau de la production du simulant et de fournir à la communauté scientifique une base invariable sur laquelle expérimenter, ou à partir de laquelle il serait possible de dériver des simulants plus spécifiques pour des besoins expérimentaux particuliers[7].

La NASA commissionne la production d'un remplaçant au JSC-1, dont le stock est épuisé. Sa copie, le JSC-1A avec ses différentes catégories de finesse, est issue de la même source basaltique et en reproduit donc toutes les caractéristiques chimiques, avec toutes les différences en comparaison au régolithe des maria[3].

La coopération internationale pour la recherche spatiale a amené avec elle le besoin de standards internationaux, dont notamment, des simulants standardisés. Da manière à ce que les résultats d'expérimentations soient comparables entre les différentes agences spatiales et laboratoires mais aussi qu'ils puissent être partagés sur des bases communes[8].

La plupart des simulants ont été demandés par la NASA, dans la perspective d'une mission lunaire longue voire permanente. Dans ce cadre, plus d'une dizaine de simulants ont été développés sur plusieurs années, certains étant épuisés d'autres encore disponibles. Chaque simulant a son propre domaine d'applicabilité[1].

La production de simulant de régolithe est compliquée par les caractéristiques du régolithe natif à reproduire : la distribution des tailles de particules, leur agglomération et la répartition entre phase cristalline et phase amorphe (verre) sont les principaux obstacles à une production importante de simulant[9] - [1]. Outre les caractéristiques chimiques et granulométriques, selon les applications il peut être nécessaire que le simulant reproduise[4] :

• inclusion de fer à domaine unique (en) dans des blebs de verre,
• minéraux anhydres,
• dommages radiatifs,
• implantations volatiles (le régolithe lunaire contient des ions d'éléments comme l'hydrogène ou l'azote, implantés par les vents solaires),
• des agglutinats, qui sont des petits amas de minéraux, de verre et de roche, agrégés par le verre résultant des impacts micro-météoritiques.

Parmi les particularités du sol lunaire présentant des difficultés à reproduire, la présence de fer métallique sous plusieurs forme est une des plus complexes. Ce fer natif est à la fois d'origine magmatique, après cristallisation du métal dans une atmosphère sans oxygène, et d'origine météoritique : les impacts très énergétiques de micro-météorites créent un dépôt sous phase vapeur de fer nanophasé[10]. Le JSC-1A a été enrichi exprès de nanoparticules de fer pour approcher au mieux le régolithe lunaire pour un coût supplémentaire de production de plusieurs millions de dollars. L'utilité de l'addition de ces nanoparticules, sachant que le basalte utilisé pour le JSC contient naturellement des nanoparticules de Ti-magnetite, est discutable[11].

Les volumes de simulants à produire sont très différents selon les applications. Dans le cadre de tests d'ingénierie spatiale, il est nécessaire d'avoir de grande quantité de simulant à disposition : les méthodes et machinerie d'excavation, de manutention ou de déplacement devant interagir avec le simulant. JSC-1 a été ainsi mis à disposition au public scientifique général pour des quantités unitaires allant jusqu'à 2 000 livres (907,2 kg) avec des commandes typiques autour de multiples de la tonne, là où MLS-1 était plutôt commandé au kilogramme[5].

Parce que les simulants doivent reproduire parfois au plus fidèlement le régolithe lunaire, la minéralogie et chimie du régolithe de base doit être bien connue. Le régolithe lunaire est essentiellement composé de feldspath plagioclase, de pyroxène et d'olivine. Les olivines sur la Lune peuvent couvrir selon les régions tous les minéraux de la forstérite à la fayalite : les maria sont en général riches en fer et donc en fayalite (à raison d'environ 70 % de Fe₂SiO₄ pour 30 % de Mg₂SiO₄) mais d'autres régions de la Lune ont des concentrations de près de 95 % de forstérite[13].

Les plagioclases sont le composant majeur de la croûte lunaire : on retrouve des plagioclases dans les maria et les plateaux lunaires, les plateaux étant essentiellement composés d'anorthite, là où l'on peut trouver de l'anorthite et de la bytownite dans les maria. Ces minéraux se présentent sous la forme de cristaux et de verre diaplectique. Le verre diaplectique est formé non pas par fusion mais par friction à haute pression. C'est un verre dense résultant des impacts météoritiques sur le sol lunaire[13].

• 
  Concentrations relatives des principaux éléments chimiques présents dans le régolithe lunaire.
• 
  Comparaison des concentrations relatives selon la zone d'origine du régolithe.

De tous les simulants lunaires créés depuis les premiers échantillons rapportés par les missions Apollo, tous sauf le MLS-1 montrent une réflectivité dépendante de la longueur d'onde et proche de 0.1 sur la bande spectrale 8-25 µm. Les simulants sont tous particulièrement émissifs à température ambiante ce qui s'explique par leur teneur en verre importante. Le MLS-1 étant assez pauvre en verre, il est peu émissif. Par ailleurs, bien que la réflectivité dans le spectre visible des simulants correspond bien à ce qui est observable — c'est-à-dire une plus grande réflectivité des simulants de régolithe des hauts plateaux lunaires —, l'alpha qui a été mesuré sur les simulants est inférieur à celui des régolithes lunaires[14]. De ce fait, pour les expériences destinées à mesurer l'effet de la poussière lunaire sur les interfaces thermiques, on ne choisit pas le simulant en fonction de la géographie lunaire qu'il est censé simuler mais directement de ses propriétés thermooptiques théoriques.

Les géopolymères de régolithe lunaire (CDC-1A) et martien (JSC MARS-1 A) avec leur simulant associé produits produites à l'Université de Birmingham.

Les applications des simulants sont en général destinées à prouver qu'il est possible d'exploiter le régolithe réel d'une manière ou d'une autre. Les sections qui suivent décrivent ces expérimentations réalisées sur du simulant la faisabilité étant quasiment toujours étudiée à l'aide de simulants[15].

Un inventaire exhaustif a été réalisé en 2010 à la demande de la NASA par un groupe de travail du LEAG (Lunar Exploration Analysis Group) et du CAPTEM (Curation and Analysis Planning Team for Extraterrestrial Materials). La liste a été dressée dans leur rapport de décembre 2010 et rassemble les variétés de simulant suivantes [27]:

• Sol lunaire
• Simulant de régolite martien
• Roche lunaire

• (en) Bonnie Cooper, « Appendix C : Lunar soil simulants », dans David Schrunk, Burton Sharpe, Bonnie L. Cooper, Madhu Thangavelu, The Moon : Resources, future development, and settlement, Chichester, Springer & Praxis Publishing, 2007, 2^e éd., 560 p. (ISBN 978-0-387-36055-3, LCCN 2007921270, lire en ligne), p. 257-267
• (en) Viorel Badescu (dir.) et al., Moon : Prospective Energy and Material Resources, Springer, 2012, 749 p. (ISBN 978-3-642-27968-3, LCCN 2012930487, DOI 10.1007/978-3-642-27969-0, lire en ligne)
• (en) Lawrence A. Taylor, Carle M. Pieters et Daniel Britt, « Evaluations of lunar regolith simulants », Planetary and Space Science, Elsevier, vol. 126,‎ juillet 2016, p. 1-7 (DOI 10.1016/j.pss.2016.04.005, résumé, lire en ligne)

• (en) « JSC-1: A new lunar soil simulant », Engineering, Construction, and Operations in Space IV; Proceedings of the 4th International Conference, Albuquerque, New Mexico, February 26-March 3, 1994, New York, American Society of Civil Engineers, vol. 2,‎ 1994, p. 857-866 (lire en ligne [PDF])
• P Carpenter, L Sibille, S Wilson et G Meeker, « Development of Standardized Lunar Regolith Simulant Materials », Microscopy and Microanalysis, vol. 12 (Suppl. 02),‎ 2006, p. 886–887 (DOI 10.1017/S143192760606301X, Bibcode 2006MiMic..12..886C)
• « Mechanical Properties of JSC-1 Lunar Regolith Simulant » (1996) (DOI 10.1061/40177(207)94))
  — « (ibid.) », dans Engineering, Construction, and Operations in Space 5: Proceedings of the Fifth International Conference on Space ’96 held in Albuquerque, New Mexico, June 1–6, 1996, New York, Stewart W. Johnson, p. 680–688