Comment produire de l'oxygène sur la lune

À l'intérieur d'une sphère géante, les ingénieurs examinent leur équipement. Devant eux se trouve un engin en métal argenté entouré de fils colorés - une boîte qui, espèrent-ils, produira un jour de l'oxygène sur la lune.

Une fois que l'équipe a quitté la sphère, l'expérience a commencé. La machine en forme de boîte ingère de petites quantités d'un régolithe poussiéreux - un mélange de poussière et de gravillons tranchants dont la composition chimique imite celle du véritable sol lunaire.

Bientôt, ce régolithe s'est transformé en gloop. Une couche a été chauffée à des températures supérieures à 1 650 °C. Et, avec l'ajout de quelques réactifs, des molécules contenant de l'oxygène ont commencé à sortir sous forme de bulles.

« Nous avons testé tout ce que nous pouvions faire sur Terre », explique Brant White, directeur de programme chez Sierra Space, une entreprise privée. « La prochaine étape sera d'aller sur la Lune.»

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L'expérience de Sierra Space s'est déroulée au Centre spatial Johnson de la NASA cet été. C'est loin d'être la seule technologie de ce type sur laquelle travaillent les chercheurs, qui développent des systèmes susceptibles d'approvisionner les astronautes vivant sur une future base lunaire.

Ces astronautes auront besoin d'oxygène pour respirer, mais aussi pour fabriquer le carburant des fusées des engins spatiaux qui pourraient décoller de la lune et se diriger vers des destinations plus lointaines, notamment Mars.

Les habitants de la base lunaire pourraient également avoir besoin de métal, qu'ils pourraient même extraire des débris gris et poussiéreux qui jonchent la surface lunaire.

Tout dépend de notre capacité à construire des réacteurs capables d'extraire efficacement ces ressources.

« Cela pourrait permettre d'économiser des milliards de dollars sur le coût des missions », déclare M. White, tout en expliquant que l'autre solution, qui consisterait à acheminer de la Terre vers la Lune de grandes quantités d'oxygène et de métal de rechange, serait ardue et coûteuse.

Heureusement, le régolithe lunaire est plein d'oxydes métalliques. Mais si l'extraction d'oxygène à partir d'oxydes métalliques, par exemple, est une science bien comprise sur Terre, il est beaucoup plus difficile d'y parvenir sur la Lune. Notamment en raison des conditions.

L'énorme chambre sphérique qui a accueilli les tests de Sierra Space en juillet et août de cette année a induit un vide et a également simulé les températures et les pressions lunaires.

L'entreprise explique qu'elle a dû améliorer le fonctionnement de la machine au fil du temps afin qu'elle puisse mieux faire face à la texture extrêmement déchiquetée et abrasive du régolithe lui-même. « Le régolithe s'infiltre partout et use toutes sortes de mécanismes », explique M. White.

Et la seule chose cruciale que l'on ne peut pas tester sur Terre, ni même en orbite autour de notre planète, c'est la gravité lunaire, qui représente environ un sixième de celle de la Terre. Ce n'est peut-être pas avant 2028 ou plus tard que Sierra Space pourra tester son système sur la lune, en utilisant du vrai régolithe dans des conditions de faible gravité.

Selon Paul Burke, de l'université Johns Hopkins, la gravité de la lune pourrait constituer un véritable problème pour certaines technologies d'extraction de l'oxygène, à moins que les ingénieurs n'en tiennent compte.

En avril, lui et ses collègues ont publié un article détaillant les résultats de simulations informatiques montrant comment un processus différent d'extraction de l'oxygène pourrait être entravé par l'attraction gravitationnelle relativement faible de la lune. Le processus étudié ici était l'électrolyse du régolithe fondu, qui consiste à utiliser l'électricité pour fractionner les minéraux lunaires contenant de l'oxygène, afin d'extraire l'oxygène directement.

Le problème est que cette technologie fonctionne en formant des bulles d'oxygène à la surface des électrodes, au cœur même du régolithe fondu. « Il a la consistance du miel, par exemple. C'est très, très visqueux », explique le Dr Burke.

« Ces bulles ne monteront pas aussi vite et pourraient même être retardées dans leur détachement des électrodes.

Il existe des moyens de contourner ce problème. L'un d'entre eux consisterait à faire vibrer le dispositif de la machine à fabriquer de l'oxygène, ce qui permettrait de libérer les bulles.

De plus, des électrodes très lisses pourraient faciliter le détachement des bulles d'oxygène. Le Dr Burke et ses collègues travaillent actuellement sur des idées de ce type.

La technologie de Sierra Space, un processus carbothermique, est différente. Dans leur cas, lorsque des bulles contenant de l'oxygène se forment dans le régolithe, elles le font librement, plutôt qu'à la surface d'une électrode. Cela signifie qu'il y a moins de risques qu'elles se coincent, explique M. White.

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Soulignant la valeur de l'oxygène pour les futures expéditions lunaires, le Dr Burke estime que, par jour, un astronaute aurait besoin de la quantité d'oxygène contenue dans environ deux ou trois kilogrammes de régolithe, en fonction de sa forme physique et de son niveau d'activité.

Toutefois, les systèmes de survie d'une base lunaire recycleraient probablement l'oxygène expiré par les astronautes. Dans ce cas, il ne serait pas nécessaire de traiter autant de régolithe pour maintenir les résidents lunaires en vie.

Le véritable cas d'utilisation des technologies d'extraction de l'oxygène, ajoute le Dr Burke, est la fourniture d'oxydant pour les carburants des fusées, ce qui pourrait permettre une exploration spatiale ambitieuse.

Il est évident que plus il y a de ressources qui peuvent être produites sur la lune, mieux c'est.

Le système de Sierra Space nécessite l'ajout d'une certaine quantité de carbone, mais l'entreprise affirme qu'elle peut en recycler la majeure partie après chaque cycle de production d'oxygène.

Avec ses collègues, Palak Patel, doctorant au Massachusetts Institute of Technology, a mis au point un système expérimental d'électrolyse du régolithe fondu pour extraire l'oxygène et le métal du sol lunaire.

« Nous l'envisageons vraiment dans l'optique de minimiser le nombre de missions de réapprovisionnement », explique-t-elle.

Lors de la conception de leur système, Mme Patel et ses collègues se sont penchés sur le problème décrit par M. Burke : la faible gravité pourrait empêcher le détachement des bulles d'oxygène qui se forment sur les électrodes. Pour y remédier, ils ont utilisé un « sonicateur », qui envoie des ondes sonores sur les bulles pour les déloger.

Selon Mme Patel, les futures machines d'extraction de ressources sur la lune pourraient tirer du fer, du titane ou du lithium du régolithe, par exemple. Ces matériaux pourraient aider les astronautes lunaires à fabriquer des pièces de rechange imprimées en 3D pour leur base lunaire ou des composants de remplacement pour les vaisseaux spatiaux endommagés.

L'utilité du régolithe lunaire ne s'arrête pas là. Mme Patel indique que, dans le cadre d'expériences distinctes, elle a fait fondre du régolithe simulé en un matériau résistant, sombre et semblable à du verre.

Avec ses collègues, elle a trouvé le moyen de transformer cette substance en briques creuses et résistantes, qui pourraient être utiles pour construire des structures sur la lune - un imposant monolithe noir, par exemple. Et pourquoi pas ?

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