Design of a compact dust analyser for electrostatic detection in lunar environment

The Moon is becoming once again a key step for the future of space missions, with a focus on building operational outposts and exploring unknown planets. Various observations from missions and on-site measurements have revealed the levitation and movement of microscopic and sub-microscopic lunar dust particles, caused by electrostatic phenomena driven by interactions with ultraviolet radiation, solar wind, and plasma exposure. Studying the properties of these particles is of engineering importance to ensure the operational safety of equipment and astronauts on the lunar surface. Instruments such as dust analysers enable the detection and characterization of these particles by exploiting their electric charge as well as measuring their mass and velocity. This thesis work proposes the development of the sensitive element of a dust analyser, composed of two grids with a square pattern. An electrical model has been developed to investigate the electrostatic induction of a dust particle’s charge on the grids, quantifying the induced charge on the sensitive elements. Two alternative configurations have been studied: a baseline metallic design and an innovative one based on the adhesion of a thin conductive coating to an insulating element film. Once a configuration was selected, based on the critical assessment of pros and cons and comparing the expected performance, the grid design and its corresponding mounting elements have been detailed. The main focus was on the development of a supporting frame incorporating compliant elements capable of compensating for potential grid deformations caused by thermal, mechanical, and random vibration stresses that the instrument may encounter during launch, flight, and its operating conditions. The finalized components have been manufactured, assembled, and the results from numerical simulations have been validated through dedicated mechanical and vibration tests, exposing the mock-up to the flight vibration levels for the instrument qualification.

La Luna sta tornando a essere un passo chiave per il futuro delle missioni spaziali, con un'attenzione particolare alla costruzione di avamposti operativi e all'esplorazione di pianeti sconosciuti. Diverse osservazioni da missioni e misurazioni in loco hanno rivelato la levitazione e il movimento di particelle di polvere lunare microscopiche e submicroscopiche, causati da fenomeni elettrostatici per l'interazione con la radiazione ultravioletta, il vento solare e l'esposizione al plasma. Lo studio delle proprietà di queste particelle riveste una forte importanza ingegneristica per garantire la sicurezza operativa delle attrezzature e degli astronauti sulla superficie lunare. Strumenti come gli analizzatori di polvere permettono la rilevazione e la caratterizzazione di tali particelle sfruttandone la carica elettrica, oltre a misurarne massa e velocità. Questo lavoro di tesi propone lo sviluppo dell'elemento sensibile di un analizzatore di polvere, composto da due griglie a fori quadrati. È stato sviluppato un modello elettrico per studiare l'induzione elettrostatica della carica di una particella di polvere sulle griglie, quantificando la carica indotta sugli elementi sensibili. Sono state analizzate due configurazioni alternative: una con design metallico standard e una innovativa, basata sull’accoppiamento di un sottile rivestimento conduttivo a un film di materiale isolante. Una volta selezionata la configurazione più adatta, sulla base di una valutazione critica dei pro e dei contro e del confronto tra le prestazioni attese, è stato realizzato il progetto delle griglie e dei relativi elementi di montaggio. Ci si è concentrati in particolar modo nello sviluppo di un telaio di supporto con elementi compliant, in grado di compensare eventuali deformazioni delle griglie dovute a sollecitazioni termiche, meccaniche e vibrazionali casuali che lo strumento potrebbe incontrare durante il lancio, il volo e le sue condizioni operative. I componenti finali sono stati quindi realizzati, assemblati e i risultati delle simulazioni numeriche sono stati validati tramite test meccanici e vibrazionali dedicati, sottoponendo il mock-up ai livelli di vibrazione di volo previsti per la qualificazione dello strumento.