Adapté à l’air comme au vide, un lubrifiant solide pour les engins spatiaux
Les engins spatiaux sont soumis à des contraintes extrêmes, si bien qu’il n’existait pas de lubrifiant solide capable d’en protéger les mécanismes dans toutes les situations. Des chercheurs de l’institut FEMTO-ST, du LaMCoS, du CNES, du LIST (Luxembourg) et l’université de Toronto (Canada) ont développé un prototype qui ne souffre pas de l’oxydation à l’air libre et qui fonctionne mieux que les solutions actuelles dans le vide. Ces travaux ont abouti à un dépôt de brevet.
Les engins spatiaux ont besoin, comme la plupart des machines, d’être lubrifiés par endroits. Les solutions utilisées sur Terre ne conviennent cependant pas car les lubrifiants doivent tenir pendant les violentes phases du décollage et de la mise en orbite et résister aux conditions extrêmes du vide spatial. Depuis les années 50, les revêtements en bisulfure de molybdène (MoS2) sont privilégiés pour les mécanismes spatiaux. Lorsqu’ils sont soumis à des frottements, ces lubrifiants solides se dégradent pour générer une fine couche entre les parties en contact. C’est cette pellicule qui joue le rôle de lubrifiant. Si ces revêtements de MoS2 offrent de très bonnes performances dans le vide, ils souffrent d’une grande sensibilité à l’oxygène et à l’humidité contenus dans l’air, et se détériorent donc pendant toutes les phases de construction et de tests au sol. Des chercheurs de l’institut FEMTO-ST (CNRS/COMUE Université Bourgogne Franche-Comté), du Laboratoire de mécanique des contacts et des structures (LaMCoS, CNRS/INSA Lyon), du CNES, du Luxembourg institute of science and technology (LIST, Luxembourg) et de l’université de Toronto (Canada) ont développé un nouveau revêtement efficace pendant toutes les phases d’utilisation des mécanismes spatiaux. Ces résultats sont publiés dans la revue Advanced Functional Materials.
Les chercheurs sont pour cela restés sur une base de MoS2, à laquelle ils ont incorporé du tantale (Ta) par dépôt physique en phase vapeur (PVD). Avec cette technique, des cibles en MoS2 et en tantale sont vaporisées par plasma, puis déposées en couches minces sur les surfaces à revêtir. En réglant finement les paramètres, l’équipe est parvenue à répartir de façon homogène le tantale dans la structure du MoS2, une incorporation confirmée par des simulations. L’ajout de tantale permet de protéger le lubrifiant contre les effets néfastes de l’oxydation par l’air, et joue lui-même un rôle lubrifiant une fois dans le vide. Un premier prototype, fait d’une couche de seulement un micron d’épaisseur, a ainsi surpassé plusieurs dépôts, dont le MoS2 qui fait toujours référence, tant dans le cadre d’un fonctionnement sous air que sous vide. Un brevet a été déposé et est en cours d’étude. Les chercheurs veulent à présent amener le lubrifiant au niveau de préqualification pour un usage dans les mécanismes spatiaux.
Référence
High Performance Space Lubrication of MoS2 with Tantalum.
Peter Serles, Eric Nicholson, Jason Tam, Nima Barri, Jean-Baptiste Chemin, Guorui Wang, Yann Michel, Chandra Veer Singh, Patrick Choquet, Aurélien Saulot, Tobin Filleter, and Guillaume Colas.
Advanced Functional Materials, volume 32, issue 20.
https://doi.org/10.1002/adfm.202110429
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