Alors que la Nasa et l’ESA attendent avec impatience le retour d’astronautes sur la Lune dans le courant de la décennie, dans le cadre du programme Artemis de la Nasa, les scientifiques recherchent des moyens de permettre aux humains de survivre sur la surface lunaire pendant des semaines ou plus sans avoir à se réapprovisionner constamment sur Terre.
Apprendre à utiliser la glace d’eau piégée dans les cratères profondément ombragés, ou à extraire l’oxygène du régolithe, le sol lunaire, ce que l’on appelle “l’utilisation des ressources in situ”, pourrait être la clé de ces opérations à long terme. Mais les scientifiques apprennent encore à quel point les conditions environnementales sur la Lune – et plus tard, sur Mars – pourraient rendre l’utilisation des ressources sur place plus difficile que sur Terre.
L’une des technologies prometteuses pour créer tout, de l’oxygène respirable aux matériaux de construction sur la Lune, est le processus électrochimique de l’électrolyse – l’utilisation de charges électriques pour séparer l’oxygène du sol lunaire fondu. Mais une nouvelle étude publiée mardi dans la revue Nature Communications, a ainsi constaté que les systèmes d’électrolyse dans les environnements à faible gravité comme ceux de la Lune et de Mars pourraient être moins efficaces que sur Terre.
“Si vous ne tenez pas compte de cela, si vous faites fonctionner le même système, sur la lune, que vous avez testé sur Terre, vous allez produire beaucoup moins de produit, ce qui est assez critique si vous planifiez ce dont vous avez besoin pour fonctionner pendant une certaine période”, a déclaré le Dr Beth Lomax, chercheur à l’ESA et auteur principal de l’étude.
Le Dr Lomax et ses collègues ont commencé leur étude parce que peu de travaux avaient été réalisés sur l’électrolyse de matériaux fondus dans des conditions de faible gravité. Mais comme la méthode habituelle pour étudier les effets des conditions de faible gravité sur Terre – monter à bord d’un avion et laisser le pilote le piloter dans une série de montées et de descentes paraboliques abruptes – serait dangereuse avec des matériaux fondus, le Dr Lomax et ses collègues ont utilisé une petite cellule d’électrolyse de l’eau pour remplacer une cellule d’électrolyse à température plus élevée. Ils ont placé leur cellule électrolytique dans une centrifugeuse et ont vérifié le bon fonctionnement du processus d’électrolyse à différents niveaux de gravité pendant les vols paraboliques, mais ils ont également mené des expériences similaires au sol dans une centrifugeuse.
Une centrifugeuse utilisée pour étudier les technologies d’électrolyse produisant du gaz dans des conditions de gravité variables.
(ESA)
L’étude a donné lieu à deux résultats majeurs. Tout d’abord, ils ont découvert que dans des conditions de gravité inférieure similaires à celles de la Lune, les bulles de gaz formées en appliquant une charge électrique à l’eau – le produit que les astronautes lunaires voudraient collecter – coaguleraient autour des électrodes en raison de la gravité inférieure, augmentant la résistance électrique et réduisant l’efficacité du processus de 11 pour cent.
Deuxièmement, ils ont appris qu’en réalisant l’expérience en l’air et au sol, ils peuvent désormais modéliser de manière fiable l’électrolyse à faible gravité dans des centrifugeuses au sol sans avoir besoin de prendre l’air, et peuvent également réaliser des expériences plus longues.
“Vous pourriez mettre une charge utile entière destinée à la Lune dans l’une des centrifugeuses de grand diamètre avec les grandes nacelles et la faire tourner pendant un mois si vous le vouliez”, a déclaré le Dr Lomax. “Alors qu’avec les vols paraboliques, les tours de largage et autres plates-formes à gravité zéro, la durée est extrêmement limitée”, les conditions de microgravité pouvant durer jusqu’à 18 secondes.
Selon Jerry Sanders, responsable de l’utilisation des ressources in situ à la Nasa, l’électrolyse n’est pas tout à fait nouvelle dans le domaine de la technologie spatiale. Des électrolyseurs d’eau ont été utilisés sur la station spatiale internationale et les chercheurs et ingénieurs de la Nasa connaissent bien le fonctionnement de ces systèmes dans des environnements à faible gravité.
“Là où nous n’avons pas une bonne maîtrise, c’est dans le régolithe fondu”, a déclaré M. Sanders. “Je pense donc qu’il s’agit d’un article qui arrive à point nommé, car il s’agit de choses que nous avions déjà envisagées. Je pense qu’il devra nous faire réfléchir beaucoup plus sur les matériaux de l’anode et de la cathode et sur la façon dont ils sont fabriqués, car cela favorisera ou dégradera beaucoup la croissance des bulles.”
Il n’est pas nécessaire de concevoir des systèmes fiables d’électrolyse du régolithe lunaire pour aller sur la Lune, note M. Sanders, car le programme Apollo n’a pas utilisé cette technologie. Mais il aime faire l’analogie entre le camping et l’installation dans une région : Cela ne dérange personne d’emballer toute sa nourriture et son eau pour une excursion de trois jours en camping, mais tout emballer pour plusieurs semaines ou mois dans un endroit isolé est une autre affaire.
Et en raison de l’immense quantité d’énergie nécessaire pour envoyer quoi que ce soit dans l’espace, il est beaucoup plus compliqué de faire ses bagages pour la Lune ou Mars que pour un voyage en avion.escapade dans les montagnes.
“Pour chaque kilogramme que je fais atterrir sur la Lune ou sur Mars, je dois lancer 10 kilogrammes en orbite, voire plus”, a déclaré M. Sanders. “Quand on pense, par exemple, à Mars, il faut quelque chose comme 20 à 30 tonnes métriques de propergol pour faire décoller l’équipage de la surface et le remettre en orbite.”
La Nasa a donc également étudié les moyens de créer du propergol à partir des ressources présentes sur Mars, notamment en séparant l’oxygène de l’abondant dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère martienne. Un dispositif d’électrolyse connu sous le nom de MOXIE, ou Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, fonctionne actuellement sur le rover Perseverance de la Nasa sur la planète rouge.
Les technologies de régolithe fondu, qui pourraient aider à produire des matériaux de construction ou des pièces spatiales sur Mars, ou de l’oxygène et des matériaux similaires sur la Lune, sont toutefois encore dans une phase de développement relativement précoce au sein de l’agence spatiale américaine. Le programme Artemis de la Nasa vise actuellement à faire atterrir les premiers humains sur la Lune depuis les années 1970 en 2025 avec la mission Artemis III. Les missions futures du programme pourraient voir les astronautes passer des semaines sur la Lune dans la région polaire sud, où les technologies d’électrolyse du régolithe lunaire pourraient jouer un rôle.
“Nous avons l’intention d’essayer de faire progresser rapidement cette technologie, ainsi que d’autres, afin de rester en phase avec le programme Artemis”, a déclaré M. Sanders. “Nous essayons de nous diriger vers une sorte de démonstration, dans le cadre du programme Artemis. [2025 to 2027] calendrier”.
