Multi-physics modelling of planetary regolith: to investigate instruments-soil interaction in support of design and operations

Understanding planetary regolith is crucial for characterizing the surface properties of celestial bodies and for advancing space exploration technologies. This thesis presents a multi-physics model to study the interaction between instruments and regolith, supporting the design and operations of space missions. The computational framework integrates mechanical, thermal, and electrostatic phenomena, and was validated under lunar conditions. The approach is based on the Discrete Element Method (DEM) extended to include electrostatic charging mechanisms and thermal transfer models. DEM-Engine, a simulation tool using GPU parallelization, was employed to analyze grain interactions in low gravity. Electrostatic charges were calculated considering photoemission, solar wind, and cosmic ray impacts, while thermal properties were analyzed in relation to solar flux and regolith conductivity. A comprehensive simulation campaign studied the behavior of regolith in different scenarios including surface impacts, wheel-regolith interaction, and drill penetration. Additionally, an electrostatic analysis was conducted to investigate charge accumulation and its impact on dust mobility and interaction with exploration instruments. The results provide valuable data on electrostatic effects in dust transport, thermal gradients, regolith compaction and the mechanical response of regolith under sampling and mobility operations. Although the model was validated under lunar conditions, the main goal of this study was to support the design of the TASTE mission drill, intended for Deimos exploration. The proposed framework improves the predictive capability of regolith-instrument interaction models, supporting the planning of future space missions.

Lo studio della regolite planetarie è fondamentale per comprendere le proprietà superficiali dei corpi celesti e sviluppare tecnologie di esplorazione spaziale. Questa tesi propone un modello multi-fisico per studiare l’interazione tra strumenti e regolite, supportando la progettazione e le operazioni delle missioni spaziali. Un framework computazionale è stato sviluppato per simulare interazioni meccaniche, termiche ed elettrostatiche, validandolo con le condizioni lunari. La metodologia numerica utilizza il Metodo degli Elementi Discreti (DEM), esteso per includere meccanismi di carica elettrostatica e modelli di trasferimento termico. Il motore di simulazione DEM-Engine, che sfrutta la parallelizzazione su GPU, è stato impiegato per analizzare le interazioni tra granuli a bassa gravità. Le cariche elettrostatiche sono state calcolate considerando fotoemissione, vento solare e raggi cosmici, mentre le proprietà termiche sono state analizzate in relazione a flusso solare e conducibilità della regolite. Un’ampia campagna di simulazione ha esaminato il comportamento della regolite in diversi scenari inclusi la caduta di oggetti sulla superficie lunare, la mobilità delle ruote su terreno regolitico e l’interazione tra una punta di perforazione e la regolite. Inoltre, è stata condotta un’analisi elettrostatica per studiare l’accumulo delle cariche superficiali e il loro impatto su mobilità della polvere e sull'interazione con strumenti di esplorazione. I risultati forniscono dati preziosi sugli effetti elettrostatici nel trasporto della polvere, sul gradiente termico, sulla compattazione della regolite e sulla risposta meccanica alle operazioni di campionamento e mobilità. Sebbene il modello sia stato validato su scenari lunari, l’obiettivo principale di questo studio è nato come supporto alla progettazione del drill della missione TASTE, destinato all’esplorazione di Deimos. Il framework proposto migliora la capacità predittiva dei modelli di interazione tra strumenti e regolite, supportando la pianificazione di future missioni spaziali.