Fabrication extraterrestre : utiliser des ressources locales pour construire une nouvelle maison dans un autre monde

Une vision d’une future base lunaire qui pourrait être produite et entretenue grâce à l’impression 3D. Crédit : RegoLight, visualisation : Liquifer Systems Group, 2018

L’humanité retourne sur la Lune, et cette fois, nous prévoyons d’y rester. Mais pour les missions spatiales à long terme, les astronautes auraient besoin d’infrastructures pour vivre et travailler, pour se déplacer, pour communiquer avec la Terre et pour produire de l’oxygène et de l’eau indispensables à leur survie. Prendre toute cette infrastructure de la Terre serait probablement prohibitif. Au lieu de cela, nous devons trouver comment le faire sur place. ESA Discovery & Preparation a soutenu de nombreuses études pour explorer comment nous pouvons y parvenir.

L’utilisation de matériaux locaux pour construire des infrastructures et produire des équipements est connue sous le nom d’utilisation des ressources in situ (ISRU). Des recherches antérieures dans ce domaine ont exploré et démontré les concepts fondamentaux de l’ISRU en utilisant une combinaison de ressources trouvées sur le site d’exploration et de matériaux apportés de la Terre.

En testant le marché des services de transport vers la Lune, l’ESA vise à repousser les limites de la technologie et à créer de nouveaux modèles d’activité spatiale. Crédit : ESA

L’ISRU est nécessaire pour construire un habitat qui protège les astronautes des environnements difficiles, notamment des atmosphères minces ou inexistantes, des températures extrêmes, des rayonnements intenses et même des micrométéoroïdes. Cela nous permettrait de construire des routes pour nous déplacer à la surface, et des aires de lancement et d’atterrissage pour voyager vers et depuis la Terre. Il pourrait être utilisé pour produire des équipements capables de générer et de stocker de l’énergie pour produire de l’électricité, ainsi que des tours d’antenne pour la communication. Et il pourrait produire d’énormes quantités d’eau et d’oxygène pour maintenir les astronautes en vie et créer des propulseurs pour voyager et éventuellement revenir sur Terre.

Activités Découverte & Préparation

En 1999, l’une des premières études de découverte et de préparation liées à l’ISRU s’est concentrée sur les systèmes de propulsion et d’alimentation, évaluant les besoins en propulsion avancée au cours du siècle actuel. L’étude a conclu que l’ISRU pourrait réduire les coûts des missions Mars tout en augmentant nos capacités, mais que la recherche et le développement des technologies ISRU doivent commencer dès maintenant.

Ainsi, en coordination avec tous les programmes de l’ESA, les recherches se sont poursuivies. Une étude achevée en 2000 s’est concentrée sur les systèmes d’alimentation requis pour l’exploration spatiale future, y compris la conception d’une usine chimique ISRU pour produire du propulseur, des produits chimiques pour le maintien de la vie et du carburant pour les activités de surface.

Une vue rapprochée de l’ensemble de propulsion ionique de GOCE. Crédit : ESA /AOES Medialab

D’autres études menées en même temps ont jeté un regard plus large sur l’exploration spatiale à long terme, l’une d’entre elles considérant quelles architectures et technologies seraient nécessaires pour l’exploration de Mars. L’étude a examiné la possibilité de produire le propulseur et les fluides nécessaires à la survie de l’équipage – y compris l’azote, l’oxygène, l’hydrogène et l’eau – à partir de l’atmosphère et du sol martiens. Une autre étude sur la capacité de survie et l’adaptabilité des humains aux environnements interplanétaires et planétaires de longue durée a également révélé que l’ISRU pourrait être particulièrement utile pour produire des propulseurs et des consommables de survie.

Avance rapide de 13 ans, la technologie s’était suffisamment développée pour explorer des concepts ISRU plus spécifiques, y compris un système pour collecter et stocker le dioxyde de carbone de l’atmosphère martienne et le livrer à un système de propulsion. L’étude, réalisée par Airbus, a suggéré des moyens d’éliminer la poussière et l’eau du dioxyde de carbone, ainsi que la manière dont il pourrait être liquéfié pour le stockage.

Au cours des dernières années, Discovery & Preparation a soutenu davantage de recherches sur la construction d’infrastructures utilisant le sol lunaire et des méthodes plus spécifiques de génération et de stockage d’énergie ; une étude récente a exploré comment le régolithe lunaire pourrait être utilisé pour stocker la chaleur et fournir de l’électricité pour les astronautes, les rovers et les atterrisseurs.

La mise en place d’une future base lunaire pourrait être beaucoup plus simple en utilisant une imprimante 3D pour la construire à partir de matériaux locaux. Des partenaires industriels, dont les architectes de renom Foster+Partners, ont rejoint l’ESA pour tester la faisabilité de l’impression 3D à partir du sol lunaire. Crédit : ESA/Foster + Partenaires

Une étude a exploré comment les installations analogiques lunaires pourraient soutenir le développement des technologies ISRU, notamment en testant l’excavation et le traitement de matériaux locaux, ainsi que la manière dont ces matériaux pourraient être utilisés pour construire des structures à l’aide de processus tels que l’impression 3D.

Un autre a confirmé l’adéquation du sol lunaire en tant que matériau de construction, a sélectionné un processus approprié pour l’impression de structures à partir de celui-ci et a même conçu un habitat imprimable. Et un troisième est récemment allé plus loin et a exploré comment toutes les structures, équipements et pièces de rechange nécessaires pourraient être imprimés en 3D en utilisant le régolithe lunaire, en sélectionnant même les processus d’impression spécifiques qui fonctionneraient le mieux.

Comme alternative aux technologies d’impression 3D existantes, une étude de 2019 s’est penchée sur la transformation du sol lunaire en fibres pour construire des structures solides. Les chercheurs ont réalisé un échantillon de matériau pour montrer qu’il est possible d’utiliser ce procédé pour réaliser des structures localement imperméables.

Un ensemble d’études Discover & Preparation a récemment exploré et défini la mission de démonstration lunaire IRSU de l’ESA, qui vise à prouver d’ici 2025 qu’il est possible de produire de l’eau ou de l’oxygène sur la Lune. Ces études se sont penchées sur le système qui produirait réellement l’eau et l’oxygène, en proposant un ensemble qui extrait l’oxygène du sol et l’utilise pour produire de l’eau, à l’aide d’un « réacteur carbo-thermique ». Un autre a exploré comment le système pouvait s’appuyer sur un atterrisseur comme alimentation électrique et un troisième a étudié comment il pouvait communiquer avec la Terre.

Que fait l’ESA d’autre ?

Pour mettre en œuvre la mission de démonstration lunaire ISRU, l’ESA a l’intention de se procurer des services de mission auprès du secteur commercial, notamment des services de livraison de charge utile, de communication et d’exploitation. Ce faisant, l’ESA s’appuiera sur les initiatives commerciales existantes et les nourrira davantage, qui pourraient trouver des applications généralisées dans un futur scénario d’exploration lunaire.

Un modèle informatique de Luna-27, qui s’envolera vers le pôle sud de la Lune. Crédit : Roscosmos

L’ESA travaille également actuellement sur la mission PROSPECT, qui accédera et évaluera les ressources potentielles sur la Lune pour se préparer aux technologies qui pourraient être utilisées pour extraire ces ressources à l’avenir. PROSPECT va forer sous la surface de la Lune près de son pôle Sud et extraire des échantillons censés contenir de l’eau gelée et d’autres produits chimiques qui peuvent être piégés à des températures extrêmement basses. La foreuse transmettra ensuite les échantillons à un laboratoire chimique où ils seront chauffés pour extraire ces produits chimiques. La mission fonctionnera dans le cadre de la mission Luna-27 dirigée par la Russie et testera des processus qui pourraient être appliqués à l’extraction de ressources à l’avenir.

Pour soutenir l’ambition d’avoir une présence humaine sur la Lune soutenue par des ressources locales d’ici 2040, l’ESA a publié en mai 2019, sa stratégie de ressources spatiales. La stratégie considère ce que nous devons découvrir et développer pour soutenir l’exploration spatiale durable. La stratégie couvre la période allant jusqu’en 2030, date à laquelle le potentiel des ressources lunaires aura été établi grâce à des mesures sur la Lune, des technologies clés auront été développées et démontrées et un plan pour leur introduction dans les architectures de missions internationales aura été défini. Suite à la publication de la stratégie, l’ESA a organisé un atelier pour identifier les prochaines étapes nécessaires pour faire de l’utilisation des ressources spatiales une réalité.

Production d’oxygène et de métal à partir de poussières lunaires simulées au sein du Laboratoire des matériaux et composants électriques de l’ESA. Crédit : ESA–A. Conigili

En 2020, l’ESA a mis en place un prototype d’usine pour produire de l’oxygène à partir de poussières lunaires simulées. L’élimination de l’oxygène du sol lunaire laisse divers métaux; un autre axe de recherche est donc de voir quels sont les alliages les plus utiles qui pourraient être produits à partir d’eux, et comment ils pourraient être utilisés sur la Lune. L’objectif ultime serait de concevoir une « usine pilote » qui pourrait fonctionner de manière durable sur la Lune, la première démonstration technologique étant prévue pour le milieu des années 2020.

Que font les autres agences spatiales dans ce domaine ?

Nasa‘s Lunar Reconnaissance Orbiter a déjà indiqué la présence de glace d’eau enfouie sous le sol lunaire à certains endroits. L’orbiteur lancé avec le Satellite d’observation et de détection Lunar CRater qui a été libéré de l’orbiteur et a impacté la Lune ; les observations du panache résultant de 16 kilomètres de haut ont montré la composition chimique de la surface lunaire.

L’agence américaine développe également plusieurs missions orbitales CubeSat qui visiteront la Lune. Lampe de poche lunaire, LunaH-MAP, et IceCube lunaire visera à découvrir combien il y a de glace d’eau et où exactement elle peut être trouvée.

Vue d’artiste du rover Mars Perseverance de la NASA. Crédit : NASA/JPL-Caltech

Le premier atterrisseur martien de la NASA, Viking, a renvoyé des données importantes sur l’atmosphère martienne, révélant qu’il est composé de 95,9 pour cent de dioxyde de carbone. Sur la base de cette découverte et des informations fournies par les missions robotiques ultérieures, l’Agence a développé des technologies pour convertir le dioxyde de carbone atmosphérique de Mars en oxygène au profit des missions humaines sur la planète rouge. Récemment, la NASA a sélectionné le Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, ou MOXIE, comme l’un des sept instruments du rover Mars Perseverance.

Les substances volatiles sont des substances qui se vaporisent facilement et pourraient être une source d’eau sur la Lune. En collaboration avec d’autres agences spatiales, la NASA mène une coordination internationale de l’exploration des volatils polaires lunaires pour accroître les connaissances scientifiques, déterminer la viabilité des volatils en tant que ressources potentielles et utiliser la Lune comme terrain d’essai pour les technologies Mars ISRU.

Les futures missions de l’Administration spatiale nationale chinoise devraient également cibler les volatiles polaires lunaires comme ressources potentielles. La vision de la Chine d’une station internationale de recherche lunaire, qui sera initialement établie en tant qu’installation robotique pour la science et la recherche à la fin des années 2020 et au début des années 2030, pourrait offrir une première opportunité d’utiliser les ressources lunaires.

L’agence spatiale russe Roscosmos travaille avec l’ESA sur la série de trois missions Luna, dont Luna-27, qui accueillera le package PROSPECT de l’ESA. La mission ciblera des mesures dans la région polaire de la Lune, en se concentrant sur les volatiles piégés dans le froid qui peuvent s’y trouver.

Quelle est la prochaine étape à l’ESA ?

Grâce à sa plateforme d’innovation en espace ouvert (OSIP), l’ESA idées recherchées sur les technologies habilitantes pour la construction, la fabrication et la maintenance in situ d’infrastructures et de matériel pour soutenir l’exploration à long terme d’un corps planétaire.

Les idées proposées soutiennent la construction d’habitats, d’infrastructures de mobilité (par ex. routes et aires d’atterrissage), d’infrastructures auxiliaires (par ex.

Une idée soumise à l’Open Space Innovation Platform (OSIP) proposait que les débris orbitaux puissent être utilisés pour la fabrication de ressources in situ sur la Lune. Crédit : ESA/Orbit Recycling

Les idées incluent de nombreuses nouvelles méthodes pour faire fondre et imprimer en 3D le sol lunaire, fabriquer des cellules solaires à partir du sol lunaire, optimiser le stockage d’énergie, trouver des méthodes pour faire pousser des plantes à partir de déchets organiques sans avoir besoin de sol, utiliser le sol lunaire pour construire des serres respectueuses des cultures et construire des infrastructures en utilisant débris spatiaux. De nombreuses idées sont maintenant mises en œuvre par l’ESA sous forme d’études, de projets de recherche cofinancés ou de premiers projets de développement technologique. Pour en savoir plus, visitez le rubrique résultats de cet appel à idées.

L’utilisation des ressources spatiales pour l’exploration est désormais à portée de main grâce aux progrès de nos connaissances et de notre compréhension de la Lune et des astéroïdes, à l’engagement accru du secteur international et privé dans les technologies spatiales et à l’émergence de nouveauxles technologies.

Développer des technologies et des méthodes pour utiliser les ressources locales pour soutenir les futurs astronautes reste un défi, mais ce faisant, nous stimulons l’innovation sur Terre grâce aux besoins technologiques ainsi qu’à de nouvelles approches pour gérer des ressources limitées. Cela nous aidera, espérons-le, à trouver de nouvelles façons de relever les défis mondiaux et de générer des rendements économiques à court et à moyen terme pour les industries terrestres.