Elaboration of zeolite coatings for on-orbit molecular decontamination

La contamination moléculaire en orbite est l’une des problématiques majeures de l’industrie spatiale. En effet, lorsque les satellites sont en orbite, les molécules organiques contenues dans les peintures, adhésifs ou encore les colles utilisés dans la conception des satellites peuvent dégazer et ainsi former des films ou des gouttelettes en se déposant sur les surfaces sensibles comme les instruments optiques et électroniques ou encore les surfaces de contrôle thermique ce qui a pour conséquence d’endommager ces équipements. Les hydrocarbures ainsi que les plastifiants émis ont été identifiés comme étant les contaminants majeurs. Parmi les matériaux poreux testés pour l’adsorption de ces polluants organiques, les zéolithes se sont avérées être les plus efficaces de par leur capacité à piéger ces molécules présentes à de très faibles concentrations dans les conditions spatiales. La synthèse des zéolithes conduisant généralement à des poudres qui seraient elles-mêmes source de contamination particulaire, une mise en forme de ces zéolithes est donc nécessaire. Des pastilles, billes et films zéolithiques ont été élaborées lors de précédents projets mais ces mises en forme comportent leur lot de désavantages comme l’ajout d’équipements additionnels pour insérer les pastilles à la structure des satellites, les mauvaises propriétés mécaniques des billes ou encore la faible quantité de zéolithe mise en jeu dans le cas des films ainsi que de la difficulté d’application de ces derniers sur de grandes surfaces. C’est pourquoi, le développement de peintures zéolithiques a été envisagé étant donné que ces dernières présentent notamment l’avantage de pouvoir être directement appliquées sur la surface interne des satellites. L’objectif de cette thèse est donc d’élaborer des peintures zéolithiques qui adhèrent sur les éléments de surface des satellites, qui soient stables mécaniquement (chocs et vibrations subis par les satellites, gradients de température) et qui puissent piéger les polluants organiques. Des zéolithes de type structural FAU (hydrophile) et MFI (hydrophobe) ont été utilisées en combinaison avec des résines silicones comme liants dans le but d’élaborer des peintures zéolithiques pouvant répondre aux contraintes spatiales. Ces peintures zéolithiques ont montré de bonnes propriétés d’adhésion (notes de 0 au test d’adhésion selon la norme ISO 2409) ainsi qu’une bonne stabilité mécanique et thermique dans des conditions pouvant être rencontrées en orbite. Les liants utilisés n’obstruent que très peu voire pas du tout l’accessibilité à la porosité des peintures zéolithiques et de bonnes capacités d’adsorption du n-hexane ont été obtenues. Différentes quantités de pigment noir (charbon animal ou noir de carbone) ont également été ajoutées à certaines peintures zéolithiques pour développer des peintures zéolithiques carbonées dans le but d’absorber la lumière afin de répondre à un autre phénomène responsable de la contamination d’équipements optiques : la lumière parasite.The phenomenon of on-orbit molecular contamination is one of the major issues encountered by the space industry. Indeed, when satellites are placed in orbit, organic molecules contained in coatings, adhesives or glues used in the conception of satellites can degas and thus form films or droplets by depositing themselves on sensitive surfaces such as optical and electronic instruments or thermal control surfaces. This contamination leads to a drastic decrease of on-board equipment performance. Hydrocarbons as well as plasticizers have been identified as major contaminants. Among several porous materials tested for the adsorption of these organic pollutants, zeolites were found to be the most efficient due to their ability to trap organic molecules at a very low concentration in space conditions. The synthesis of zeolites generally leads to powders that would themselves be a source of particulate contamination, therefore a shaping of these zeolites appears to be necessary. Pellets, beads and zeolite films were developed in previous projects, but these processes have some disadvantages such as the addition of additional equipment to insert pellets into the structure of satellites, poor mechanical properties of beads or the small quantity of zeolite involved in the case of films and the difficulty of applying them to large surfaces. That is why, zeolite coatings were selected because they can be applied directly to the internal surface of satellites. The main goal of this project is to develop zeolite coatings that adhere to the surface elements of satellites, that are mechanically stable (shocks and vibrations undergone by satellites, temperature gradients) and that can trap organic pollutants. FAU-type (hydrophilic) and MFI-type (hydrophobic)zeolites were used in combination with silicone resins as binders in order to develop zeolite coatings that can that can fulfill spatial requirements. These zeolite coatings showed good adhesion properties (adhesion note of 0 according the ISO 2409 standard) as well as good mechanical and thermal stability under conditions encountered in orbit. Zeolite coatings porosity remain mostly accessible despite the use of a binder and good n-hexane adsorption capacities were obtained. Different quantities of black pigment (bone char or carbon black) were also added to some zeolite coatings to develop black zeolite coatings with the aim of absorbing light in order to respond to another phenomenon responsible of optial equipment contamination: stray light