Investigating regolith induced wear and dust mitigation

• Main Author: Gharib, Nima
• Other Authors: Peter Henry Radziszewski (Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2014
• Subjects: Engineering - Mechanical
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=121357

"There is growing international interest in space exploration. Going back to the moon where we will build a sustainable long-term human presence with new spacecraft, robotics and life-sustaining technologies, will prepare humans for future exploration of other planets in our solar system and asteroids and for space mining" [1]. The moon will serve as a base to develop and test new technologies, experience living on an extraterrestrial surface and will provide clues about the origin of the universe. Returning to the moon however, is not easy. The harsh lunar environment, solar radiation, the large amplitude of the temperature fluctuation and the negligible atmosphere and therefore low atmospheric pressure will challenge future manned and unmanned missions. One of the most pervasive limits to lunar surface exploration is the presence of lunar dust, which is electrostatically charged and adheres to everything with which it comes into contact. Lunar dust is very fine and also highly abrasive [2]. In this work, two abrasive wear test devices were designed and manufactured to study the volume wear rate of different materials when subjected to lunar dust simulant of different size ranges. There were three additional objectives to this research. First, the potential of using electrostatic and dielectrophoretic forces to remove and transport small particles away from surfaces was investigated by manufacturing several devices comprising series of parallel electrodes connected to single or multiple AC power source(s). The traveling electric field created then served as an invisible brush to clean surfaces and prevent dust from entering joints in space applications (e.g. bearing, solar panels, camera, etc.). Second, discrete element models were created and calibrated based on the experimental results to study the capacity of this technique to clean dust from surfaces in the lunar environment. Third, evaluated the idea of sorting and transporting regolith (i.e., the loose, heterogeneous material covering solid rock) into the journal bearing (i.e., a plain bearing designed to reduce friction by supporting radial loads) and employing it as a solid lubricant. Experimental outcomes demonstrate satisfactory performance of the electric curtain in terms of dust removal from surfaces, with low power consumption. They also indicate the need for standardization of wear and abrasion tests for space applications at low temperature and pressure. One recommendation resulting from this research is investment by the Canadian Space Agency on infrastructure and equipment such as "dirty chambers" to enable performance of similar experiments in dusty moon-like environments. This research was conducted with support from an NSERC Collaborative Research and Development Grant involving Neptec Design Group, the Canadian Space Agency, and McGill University. === "L'exploration spatiale est en pleine expansion dans la communauté internationale. En retournant à la lune où nous construirons une présence humaine à long terme qui soit durable avec des nouveaux vaisseaux spatiaux, des robots et des technologies pour maintenir la vie durable. C'est aussi à nous préparer pour future exploration des autres planètes de notre système solaire, des astéroïdes, et l'exploitation minière spatial" [1]. La lune servira comme une base pour développer et tester des nouvelles technologies, faire l'expérience de vivre dans un environnement extraterrestre, et fournir des indices sur l'origine de l'univers. Cependant retourner sur la Lune n'est pas une tache facile. Les conditions extrêmement difficile de l'environnement lunaire, les dangereuses rayonnements solaire, les variations de températures et l'espace vide mettra nos futures missions, avec ou sans astronautes, en danger. L'un des plus grands défis que nous rencontrerons au cours de l'exploration de la surface de la lune est la poussière lunaire qui est éléctrostatiquement chargé et adhérera tout ce qui entre en contact avec. La poussière est très fine et très abrasif aussi [2]. Dans cette étude, trois appareils ont été conçus et deux d'entre eux ont été construites afin d'examiner la quantité de particules qui retire du matériel pendant l'expérience d'abrasion par la poussière lunaire a diamètre variable. Également la possibilité d'utiliser des forces électrostatiques et diélectrophoetique pour enlever et transporter des petites particules des surfaces ont été étudié par plusieurs dispositifs en fabricant des compositions d'électrodes parallèles qui sont connecté à une source d'alimentation unique ou multiple AC. Le champ électrique qui se déplace sert alors comme un pinceau invisible pour nettoyer les surfaces et évite la poussière de pénétrer dans les joints des applications spatiales (par exemple les instruments qui roulent, les panneaux solaires, les appareils photo, etc.). En plus de cela, des modèles DEM ont été créés et calibrés sur la base des résultats expérimentaux pour étudier la capacité de cette technique pour nettoyer la poussière des surfaces dans l'environnement lunaire. En outre, l'idée de regrouper et de transporter le régolithe dans un palier lisse et l'employer comme un lubrifiant solide a été souligné. Les résultats des expériences montrent une performance satisfaisante du rideau électrique en termes de dépoussiérage des surfaces avec une faible consommation électrique. Ils suggèrent également la nécessité d'une standardisation des expériences abrasive pour les applications spatiales à faible température et pression. Une proposition par rapport aux résultats obtenu dans cette recherche est l'investissement de l'Agence Spatiale Canadienne sur les infrastructures et les équipements tels que "Les chambres sale" afin d'être en mesure de réaliser des expériences similaires dans des environnements poussiéreux comme la surface de la lune. Cette recherche est menée dans le cadre d'une subvention du CRSNG CRD entre Neptec Design Group, l'Agence Spatiale Canadienne et l'Université McGill.