L’un des défis les plus discutés lors du démarrage du voyage d’exploration spatiale de notre espèce est de savoir comment obtenir les ressources nécessaires à la vie hors de la Terre. En règle générale, cela est considéré comme deux choses – l’eau et l’oxygène, mais, heureusement, l’oxygène peut être fourni en séparant une molécule d’eau, de sorte que la ressource la plus critique que nous puissions trouver dans l’espace est l’eau. Communément appelée «volatile» dans le langage des ressources spatiales, l’eau a été au centre de nombreux plans d’utilisation des ressources in situ sur la Lune, Mars et ailleurs. Certains de ces plans ont été bien pensés, d’autres non. Un particulier s’est montré prometteur lorsqu’il a été sélectionné dans le cadre du financement de l’Institute for Advanced Concepts (NIAC) de la NASA en 2019, et ici nous allons l’examiner de plus près.
Le concept, connu formellement sous le nom de “Thermal Mining of Ices on Cold Solar System Bodies” mais ci-après dénommé “Thermal Mining”, est l’idée de George Sowers, expert en ressources spatiales et professeur de génie mécanique à la Colorado School of Mines ( CSM). Le concept sous-jacent est étonnamment simple et familier à tous ceux qui ont joué avec une loupe dans leur enfance.
Si vous dirigez la lumière du soleil vers un endroit particulier à l’aide d’un miroir géant ou d’une autre technologie, cet endroit se réchauffera. Si vous chauffez une zone qui contient de la glace et qu’elle est sous vide, cette glace se sublimera en vapeur d’eau et commencera à se dégager de la surface chauffée. Cette vapeur d’eau peut ensuite être capturée à l’aide d’un piège à froid ou d’un mécanisme similaire, et l’eau peut ensuite être récoltée pour être utilisée dans des activités d’exploration, telles que boire, respirer ou même alimenter des fusées.
Ainsi, l’architecture de base du système de l’idée de Thermal Mining est simple et comprend trois composants principaux. Le premier est un grand miroir (connu sous le nom d’héliostat) pour diriger la lumière du soleil vers une zone particulière d’un autre monde. La seconde est une tente géante qui capte l’eau sublimée, et la troisième est un piège à froid/système de transport qui va capter l’eau lorsqu’elle s’échappe de la surface.
Rien de tout cela n’est un saut technologique géant – nous n’avons pas besoin de développer des technologies fantaisistes pour fabriquer ces trois composants. Cependant, ils n’ont jamais été utilisés à cet effet auparavant, il vaut donc la peine de les dérisquer un peu. C’est précisément ce que le Dr Sowers et son équipe ont fait dans le cadre de leur rapport NIAC.
Tout d’abord, ils ont examiné les endroits potentiels où le système pourrait être utile. Quatre corps d’un autre monde sont sortis au sommet – Mars, où la présence de glace d’eau a été prouvée à plusieurs reprises; Cérès, où des jets de vapeur d’eau sont éjectés de sa surface ; et deux astéroïdes de la ceinture principale – 24 Themis et 65 Cybele, dont on pense qu’ils sont tous deux recouverts de glace en raison de leur réflectivité. Tous se trouvent dans le système solaire interne, ce qui en fait des cibles relativement faciles pour les missions d’exploration et d’exploitation des ressources utilisant cette technique.
Mais l’endroit le plus prometteur pour relancer l’utilisation des ressources de l’humanité dans l’espace est la Lune. La deuxième tâche du Dr Sower et de son équipe consistait à développer une architecture à utiliser dans les régions ombragées en permanence de la Lune qui contiendraient un grand pourcentage des 600 milliards de kg d’eau de notre voisin le plus proche.
La Lune présente certains avantages par rapport aux astéroïdes comme 24 Themis pour cette technique d’extraction thermique. La première est qu’il y a suffisamment de gravité pour utiliser des rovers standard pour transporter la glace là où elle est nécessaire. Un autre est l’absence d’une atmosphère qui pourrait diminuer l’efficacité du transfert de l’énergie solaire thermique vers le site minier. Mais aussi, c’est tout simplement beaucoup plus proche.
Sa proximité ne change cependant pas l’architecture globale – les trois composants principaux sont toujours nécessaires, peu importe où se trouve le site minier. En tant que tel, la troisième tâche de l’équipe du Dr Sower consistait à effectuer des tests de validation de principe de l’architecture qu’ils avaient développée.
Ils ont collecté un simulant de régolithe lunaire et ont manuellement rasé des éclats de glace qu’ils ont ensuite transformés en boules et mélangés au régolithe. Ils ont placé une version de ce mélange, avec différentes concentrations de glace, dans une chambre à vide refroidie par un bain d’azote liquide. Ensuite, ils ont appliqué une source de chaleur à partir d’une lampe destinée à imiter la lumière solaire redirigée et ont mesuré la perte de poids résultante de l’échantillon, et l’ont utilisée pour calculer la quantité d’eau sublimée.
Lors de ces expériences, ils ont rencontré deux problèmes intéressants – l’un était lié à leur configuration de test, mais un autre pouvait entraver l’utilisation réelle sur la Lune.
La configuration de test de CSM était relativement petite, avec le système de refroidissement à l’azote liquide relativement proche de l’échantillon censé être sublimé. Ainsi, une grande partie de la chaleur de la lampe censée chauffer l’échantillon chauffait plutôt l’azote liquide, qui agissait comme un dissipateur de chaleur. Sur la Lune, cela ne se produirait pas, car tout le corps est si froid qu’il n’y a pas de matériau thermoconducteur sous votre échantillon qui absorberait la majeure partie de l’énergie destinée à chauffer l’eau. Et en tant que tel, CSM construit une chambre d’essai plus grande pour essayer de limiter l’effet de ce problème sur leurs expériences.
Crédit – Chaîne YouTube de Robert Black
L’autre problème est cependant plus épineux – après un temps relativement court, la méthode d’extraction thermique a créé une couche desséchée au-dessus du régolithe qui agit comme une barrière thermique contre l’eau qui pourrait être piégée plus bas. Non seulement moins de chaleur atteint les niveaux inférieurs du régolithe, mais la couche desséchée est essentiellement fondue dans un pare-vapeur, ce qui rend presque impossible pour l’eau de se sublimer dans la tente et de s’accumuler dans les pièges à froid.
De telles difficultés ne sont certainement pas insurmontables, et l’un des aspects les plus importants du rapport montre sans doute pourquoi elles doivent être surmontées : l’analyse de rentabilisation. L’équipe du Dr Sower estime que le coût total de développement d’une exploitation minière thermique de taille raisonnable dans les PSR de la Lune est d’environ 800 millions de dollars, avec 613 millions de dollars supplémentaires en coûts de produits. Il comprendrait également un coût d’exploitation d’environ 80 millions de dollars par an.
Ces coûts s’accompagnent d’avantages assez importants, en particulier s’ils permettent d’économiser le coût d’expédition de l’eau de la Terre vers toute sortie lunaire précoce. Selon les calculs du rapport, le taux de rendement interne (TRI – une mesure de la rentabilité d’un projet) serait d’environ 8 % si les opérateurs de système vendaient uniquement à des sources commerciales (c’est-à-dire celles qui tentent d’exercer d’autres activités économiques sur la Lune). C’est un peu moins que ce que de nombreux financiers considéreraient comme un investissement, en particulier pour un projet certes risqué. Cependant, supposons que la NASA ou d’autres agences spatiales nationales deviennent des clients pour soutenir leurs opérations lunaires. Dans ce cas, le TRI grimpe jusqu’à ~16 %, ce qui est nettement plus proche de ce qui pourrait intéresser les financiers.
Le Dr Sowers admet que l’analyse de rentabilisation est l’une des parties les plus risquées de la proposition globale, car elle nécessite une demande, qui n’existe pas actuellement car il y a peu ou pas d’opérations lunaires qui nécessitent de l’eau. Avec les missions Artemis de la NASA, cela devrait changer au cours de la prochaine décennie, mais on ne sait pas si cela fournirait une demande suffisante pour rendre la technologie économiquement viable.
D’autres risques abondent également, notamment l’incertitude quant à la quantité totale et à l’emplacement de l’eau sur la Lune. Il y en a sans aucun doute dans les PSR, mais il se peut qu’il n’y en ait pas assez près de la surface, où elle peut être recueillie par l’exploitation minière thermique, pour soutenir l’habitation humaine à long terme, et l’eau et d’autres «volatiles» doivent être expédiées depuis Cérès ou ailleurs dans la ceinture d’astéroïdes. Si tel est le cas, il y a toujours un argument selon lequel la technique sous-jacente de Thermal Mining pourrait être utile – elle pourrait tout simplement ne pas être rentable.
Pour l’instant, l’ensemble du système n’en est qu’à la phase de planification, et il ne semble pas que la technologie ait reçu un NIAC de phase II, et on ne sait pas quels progrès ont été réalisés au cours des dernières années. Cependant, la technologie a été brevetée et CSM la propose sous licence sur son site Web de transfert de technologie. Et à mesure que la technologie évolue plus généralement, l’idée d’exploiter la Lune deviendra de plus en plus attrayante. Il y a donc de fortes chances que cette technologie finisse par se concrétiser, même si cela peut prendre un certain temps.
